اسم الباحث : دنيا عبد اللطيف بدران
اسم المشرف : أ.د. محسن عبد الله الشمري ;أ.د. عماد قاسم حسين
الكلمات المفتاحية : Free vibration, composite plate, alumina, Natural frequency
الكلية : كلية الهندسة
الاختصاص : الهندسة الميكانيكية الهندسة الميكانيكية - ميكانيك تطبيقي
سنة نشر البحث : 2025
تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث
الخلاصة
تؤثر مشاكل الاهتزاز بشكل كبير على أداء الآلات وعمرها الافتراضي. وللحد من تأثير الاهتزاز في المركبات الفضائية والطائرات، يتم تقليل التردد الطبيعي . يقدم هذا العمل تحليلًا ديناميكيًا لصفائح مركبة متعامدة الخواص مُقوّاة بمسحوق أكسيد الألومنيوم كمسحوق مشتت مُنتشر على مصفوفة البوليمر . يهدف هذا العمل إلى تحسين الخصائص الميكانيكية ودراسة كيفية تأثير إضافة مسحوق الألومينا على الخصائص الاهتزازية للصفائح. تُجرى دراسات حول كيفية تأثير تسلسل تكديس الألياف والتهجين على شكل الوضع والترددات الطبيعية. وقد تم اعتماد منهجية متعددة التخصصات تجمع بين التصنيع التجريبي والاختبار مع عمليات محاكاة عددية متقدمة وتحليل حاسوبي. في المرحلة التجريبية، صُنعت ألواح مركبة بدمج نسب وزنية متفاوتة من مسحوق اوكسيد الالمنيوم ( 2% , 5% و 8% ) في مصفوفة الراتنج قبل التصفيح وحُكم بتشتت المسحوق بدقة لضمان توزيع متساوٍ وتجنب التكتل . وللتأكد من الخصائص الميكانيكية والفيزيائية لأغراض تحليلية وعددية ، أُجري اختبارالشد. لمحاكاة السلوك الاهتزازي في برنامج الانسز (19.2) بني نموذج العناصر المحدودة لنفس هندسة الألواح وتكوينات المواد. وتضمن نموذج العناصر المحدودة خصائص المواد المتعامدة، وظروف حدودية واقعية، وشبكات مناسبة لتحليل دقيق للأنماط. كما حُلِّل سلوك الاهتزاز لخمسة نماذج وعدة ترتيبات لزوايا الألياف. تم تصنيع النموذج الخامس ذي أعلى تردد طبيعي واختباره عمليًا وتم التحقق من صحة نتائج المحاكاة بمقارنتها بالنتائج العددية، مما أظهر توافقًا قويًا وأكد موثوقية النموذج. وللتحقق من الترددات المقاسة بالقيم التحليلية، استُخدم برنامج ماتلاب استنادًا إلى نظرية الصفائح الرقائقية الكلاسيكية ، مما وفر مستوى إضافيًا من التحقق. تكشف نتائج الدراسة عن تحسن واضح في الأداء الديناميكي للصفائح المركبة مع زيادة محتوى مسحوق اوكسيد الالمنيوم حيث زادت الترددات الطبيعية تدريجيًا مع ارتفاع تركيزات الألومينا، مما يشير إلى تحسن في الصلابة ، وظلت أشكال الأنماط متسقة، ولكنها أظهرت أنماط تشوه أكثر حدة في الصفائح ذات مستويات التعزيز الأعلى. كما تطابقت نتائج البيانات التجريبية بشكل وثيق مع البيانات العملية ، مع اختلاف أقل من 5% في معظم الحالات. لوحظت القيمة القصوى للتردد الطبيعي عند نسبة 8% على الرغم من ضرورة الحفاظ على التوازن لتجنب الزيادة المفرطة في الوزن وأخيرًا، تجدر الإشارة إلى أن دمج مسحوق أكسيد الألومنيوم في الصفائح المركبة المتعامدة يعزز بشكل كبير من سلوكها الديناميكي، مما يجعلها أكثر ملاءمة للتطبيقات التي يكون فيها التحكم في الاهتزاز والاستقرار الديناميكي ضروريين. يوفر الاستخدام المتكامل للاختبارات التجريبية ومحاكاة العناصر المحدودة والنتائج التحليلية إطارًا شاملاً ودقيقًا لتقييم وتحسين الهياكل المركبة
Free vibration Analysis of Orthotropic Composite Plates Reinforced with Aluminum Oxide (Al2O3) Powder
Abstract
Vibration issues critically impact machine performance and lifespan. In order to reduce the effect of vibration in spacecraft and aircraft, the structures stiffness is enhanced to shift natural frequency away from critical excitation ranges.
This work presents a dynamic analysis of orthotropic composite plates reinforced with aluminum oxide (Al₂O₃) powder scattered across the polymer matrix. The objective is to enhance the mechanical characteristics and examine how adding alumina powder might affect the vibrational characteristics of the plates. Investigations are conducted into how the fiber stacking sequence, hybridization affect the mode shape and natural frequencies. A multidisciplinary methodology was adopted, combining experimental fabrication and testing with advanced numerical simulations and computational analysis.
In the experimental phase, composite plates were fabricated by integrating varying weight fractions of Al₂O₃ powder (2%, 5%, and 8%) into the resin matrix prior to lamination. The dispersion of the powder was carefully controlled to ensure uniform distribution and avoid agglomeration. To ascertain the mechanical and physical characteristics for analytical and numerical purposes, a tensile test was performed.
The results of dynamic analysis have been obtained; analytically by using (MATLAB R2021) was used based on classical laminated plate theory (CLPT), and numerically by using (finite element method) ANSYS (R1 2021) to simulate the vibrational behavior of the same plate geometries and material configurations. The FEM incorporated orthotropic material properties, realistic boundary conditions, and meshing suitable for accurate modal analysis. The vibration behavior of five models and several fiber angle arrangements was analyzed. The staking sequence of glass fiber includes five arrangements (0⁰ , 45⁰ , 90⁰ , 45⁰ , 0⁰), (90⁰ , 0⁰ , 60⁰ , 0⁰ , 90⁰), (0⁰ , 60⁰ , 90⁰ , 60⁰ , 0⁰), (0⁰ , 90⁰ , 45⁰ , 90⁰ , 0⁰), and (90⁰ , 30⁰ , 45⁰ , 30⁰ , 90⁰) .
The fifth model only with the highest natural Frequency was manufactured and tested in practice. The results of the study reveal a good enhancement in the dynamic performance of the composite plates with increasing Al₂O₃ content.
Where natural frequencies increased progressively with higher alumina concentrations, indicating improved stiffness and rigidity. The mode shapes remained consistent but showed sharper deformation patterns in plates with higher reinforcement levels. The fundamental frequency increased from 90.5 Hz to 104.5 Hz with FEM prediction differing from experimental by 1.6% .
The maximum value in natural frequency was observed at 8% Al₂O₃, although a balance must be maintained to avoid excessive weight increase.
It is noted that the incorporation of aluminum oxide powder into orthotropic composite plates significantly enhances their dynamic behavior, making them more suitable for applications where vibration control and dynamic stability are essential. The integrated use of testing in practice, finite element simulation, and analytical results provides a comprehensive and accurate framework for evaluating and optimizing advanced composite structures.


