تحليل كمانش جانبي تير جدار نازك ساندويچي كامپوزيت-فلز با سطح مقطع متغير و در نظر گرفتن كرنش‌هاي غيرخطي

Lateral Stability Analysis of Thin-Walled Fiber-Metal Laminate Beam with Varying Cross-Section by Considering Nonlinear Strains

كامپوزيت‌هاي لايه‌اي الياف-فلز كه از تركيب لايه‌هاي فلزي و كامپوزيت‌هاي تقويت شده با الياف ساخته مي‌شوند، به دليل وزن كمتر و خواص مكانيكي مناسب‌تر، در صنايع هوايي، دريايي و خودروسازي كاربرد فراوني پيدا كرده‌اند. در اين پژوهش براي اولين بار پايداري جانبي-پيچشي تير باريك شونده با مقطع I شكل متقارن از جنس كامپوزيت هيبريدي چند لايه الياف-فلز مورد بررسي قرار گرفته است. براي اين منظور، معادلات پايداري جانبي-پيچشي و شرايط مرزي با به كارگيري مدل ولاسو براي مقاطع جدار نازك باز، تئوري كلاسيك لايه‌اي و با فرض تغيير شكل‌هاي كوچك تعيين مي‌گردند. سپس با استفاده از يك رابطه كمكي دستگاه معادلات حاكم به يك معادله ديفرانسيل مستقل مرتبه چهار برحسب زاويه پيچش تبديل مي‌شود. در ادامه، معادله نهايي با بهره گيري از روش عددي مربعات ديفرانسيل و فرضيات اين روش حل و مقدار بار كمانش جانبي-پيچشي محاسبه مي‌شود. پس از بررسي صحت و دقت روش معرفي شده، اثرات پارامترهاي مهم مانند، چيدمان لايه‌ها، زاويه قرارگيري الياف، جنس الياف، تغيير ارتفاع جان تير، محل اعمال بار عرضي و كسر حجمي فلز بر ظرفيت كمانش جانبي تير جدار نازك با مقطع متغير و شرايط انتهايي گيردار-آزاد مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج نشان داد كه چيدمان بهينه با قرار گيري لايه‌هاي اليافي سازنده بال تير با زاويه صفر درجه و لايه‌هاي اليافي تشكيل دهنده جان با زاويه 45 درجه بين دو ورق آلومينيومي حاصل مي‌شود. همچنين ثابت شد كه تغييرات درصد حجمي فلز در مقايسه با تغيير ارتفاع جان تير نيم‌رخ، بار كمانش جانبي را با شدت بيشتري تغيير مي‌دهد.

In this paper, the lateral-torsional buckling behavior of thin-walled fiber-metal laminate beams with varying I-section is perused using an innovative and accurate methodology. Considering the coupling between the bending displacements and the twist angle, the system of lateral stability equations is derived via the energy method in association with Vlasov’s model for thin-walled beam and the classic lamination theory. By uncoupling the equilibrium differential equations, the system of governing equations is transformed to a fourth-order differential equation in terms of the twist angle. The differential quadrature method is then applied to solve the resulting equation and to acquire the lateral buckling loads. The accuracy of the proposed methodology has been investigated by comparing the results with the outcomes obtained using ANSYS finite element software. In the following, the effect of significant parameters such as stacking sequence, fiber angle, fiber type, web tapering ratio, load height parameter, and volume fraction of metal on lateral buckling load of fixed-free fiber-metal laminate tapered I-beam under uniformly distributed load has been investigated. The results show that the optimum fiber orientation is achieved is obtained by placing fibers at 45 in the web and 0 in both flanges between two aluminum sheets.