Designing Composite-Based Cylindrical Structures and Manufacturing Composite Prototypes by Filament Winding Method

Abstract

This study reports the design, finite element modeling, optimization, fabrication and testing of relatively thick (radius/thickness ~ 7) and long carbon fiber reinforced polymers produced by filament winding against buckling damage under axial loading. The optimum winding angle and stacking sequence against Linear (Eigenvalue) buckling were determined in accordance with the predetermined design requirements utilizing genetic algorithm (GA) optimization via MATLAB. During the optimization process, the critical buckling load factor (λcr) was assigned as objective function, design constraints were natural frequency (fn) and angle of twist (Φ), and ply angles were considered to be variable and restricted with 20 to 87-degree continuous fiber angles in the laminate sequences. As a consequence of the test results, λcr of the proposed optimum model was found to be 3.2 times better than the reference model and both the analytical and finite element model satisfactorily predicted the critical buckling load for all CFRP rods consistent with the test results. The critical buckling loads calculated by applying a KDF of 0.95 for the finite element model and a KDF of 0.9 for the analytical solution were found to be reasonably appropriate for use in the preliminary design input. Additionally, results showed that a higher axial to the circumferential ratio of axial and bending stiffness (A11/A22, D11/D22) promises better buckling performance than other possible candidates. Finally, the microstructures of the produced rods were examined and the fiber volume ratios were calculated by means of chemical characterization.

Bu çalışma, eksenel yükleme altında burkulma hasarına karşı filament sargı ile üretilmiş nispeten kalın (yarıçap/kalınlık ~ 7) ve uzun karbon fiber takviyeli polimerlerin tasarımını, sonlu eleman modellemesini, optimizasyonunu, üretimini ve testini rapor etmektedir. Optimum sarım açısı ve katman sıralaması, genetik algoritma (GA) optimizasyonu kullanılarak MATLAB aracılığıyla belirlenen tasarım gereksinimlerine göre Lineer (Özdeğer) burkulmaya karşı belirlendi. Optimizasyon sürecinde, kritik burkulma yük faktörü (λcr) hedef fonksiyon olarak atanmış, tasarım kısıtlamaları doğal frekans (fn) ve burulma açısı (Φ) olarak belirlenmiş ve katman açılarının sürekli fiber açıları 20 ile 87 derece arasında değişken olacak şekilde sınırlanmıştır. Test sonuçlarının bir sonucu olarak, önerilen optimum modelin λcr değeri referans modelden 3.2 kat daha iyi olduğu bulunmuş ve hem analitik hem de sonlu eleman modeli, tüm CFRP çubuklar için test sonuçlarıyla tutarlı olarak kritik burkulma yükünü tatmin edici bir şekilde tahmin etmiştir. Sonlu eleman modeli için 0,95 KDF ve analitik çözüm için 0,9 KDF uygulanarak hesaplanan kritik burkulma yüklerinin ön tasarım girdisinde kullanılması nispeten uygun bulunmuştur.Ayrıca, sonuçlar, eksenel ve eğilme rijitliklerinin eksenelden çevresel oranın (A11/A22, D11/D22) diğer olası adaylardan daha iyi burkulma performansı vaat ettiğini göstermiştir. Son olarak, üretilen çubukların mikro yapıları incelenmiş ve fiber hacim oranları kimyasal karakterizasyon yoluyla hesaplanmıştır.