Published October 1, 2023 | Version v1
Publication Metadata-only

A novel composite connecting rod: study on mechanical and dynamic behaviour through experimental and finite element approach

Creators

  • 1. Institute of Minerals and Materials Technology
  • 2. Institute of Technology Sligo
  • 3. University of Malaya
  • 4. King Saud University

Description

The increase in strength and stiffness of a metal matrix composite connecting (MMC) rod when compared to conventional rods have motivated researchers in this area. This opens a new window for the present research, here Al7075 alloy and Al7075-based composite connecting rods were fabricated by machining composite blocks using computer numerical control machining centre. Al7075-based composite connecting rods comprises of 91% Al7075, 3% hexagonal Boron Nitride (h-BN) and 6% of Zirconium Dioxide (ZrO2). Modal characteristics and mechanical performance of the prepared components were analysed. An experimental modal analysis was conducted on the connecting rod under fixed-free condition to identify the natural frequency and its mode shapes, further the outcomes were compared with the numerical values. The ANSYS workbench is used to estimate the component's failure load based on finite element (FE) approach. The results obtained from modal analysis revealed that the composite connecting rod is more dynamically stable than its unreinforced counterpart. Composite connecting rods also showed better load-bearing capacity as compared to Al7075 in terms of tensile and compressive loading. Failure load analysis results indicate that under compressive load the component bends along the shank (I-beam), while under tensile load, cracks originate at the section connecting the piston pin end and the I-beam. The composite connecting rod sustained 13.5% higher compressive load and16.5% higher tensile load than the Al7075 connecting rod, making it a suitable alternative material. The failure mechanisms have been investigated by extensive scanning electron micrography of fabricated connecting rods.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

أدت الزيادة في قوة وصلابة قضيب توصيل المصفوفة المعدنية (MMC) عند مقارنته بالقضبان التقليدية إلى تحفيز الباحثين في هذا المجال. هذا يفتح نافذة جديدة للبحث الحالي، هنا تم تصنيع سبائك Al7075 وقضبان التوصيل المركبة القائمة على Al7075 من خلال تصنيع كتل مركبة باستخدام مركز التحكم الرقمي بالكمبيوتر. تتكون قضبان التوصيل المركبة القائمة على Al7075 من 91 ٪ Al7075 و 3 ٪ نتريد البورون السداسي (h - BN) و 6 ٪ من ثاني أكسيد الزركونيوم (ZrO2). تم تحليل الخصائص الشكلية والأداء الميكانيكي للمكونات المحضرة. تم إجراء تحليل نموذجي تجريبي على قضيب التوصيل في ظل حالة خالية ثابتة لتحديد التردد الطبيعي وأشكال نمطه، وتمت مقارنة النتائج بالقيم العددية. يتم استخدام طاولة عمل ANSYS لتقدير حمل فشل المكون بناءً على نهج العناصر المحدودة (FE). كشفت النتائج التي تم الحصول عليها من تحليل الوسائط أن قضيب التوصيل المركب أكثر استقرارًا ديناميكيًا من نظيره غير المقوى. أظهرت قضبان التوصيل المركبة أيضًا قدرة حمل أفضل مقارنة بـ Al7075 من حيث تحميل الشد والضغط. تشير نتائج تحليل حمل الفشل إلى أنه تحت الحمل الانضغاطي ينحني المكون على طول الساق (عارضة I)، بينما تحت حمل الشد، تنشأ الشقوق في القسم الذي يربط طرف مسمار المكبس وعارضة I. يتحمل قضيب التوصيل المركب حمل انضغاط أعلى بنسبة 13.5 ٪ وحمل شد أعلى بنسبة 16.5 ٪ من قضيب التوصيل Al7075، مما يجعله مادة بديلة مناسبة. تم فحص آليات الفشل عن طريق التصوير المجهري الإلكتروني المكثف لقضبان التوصيل المصنعة.

Translated Description (French)

L'augmentation de la résistance et de la rigidité d'une tige de connexion composite à matrice métallique (MMC) par rapport aux tiges conventionnelles a motivé les chercheurs dans ce domaine. Cela ouvre une nouvelle fenêtre pour la présente recherche, ici les bielles composites en alliage Al7075 et à base d'Al7075 ont été fabriquées par usinage de blocs composites à l'aide d'un centre d'usinage à commande numérique par ordinateur. Les bielles composites à base d'Al7075 comprennent 91 % d'Al7075, 3 % de nitrure de bore hexagonal (h-BN) et 6 % de dioxyde de zirconium (ZrO2). Les caractéristiques modales et les performances mécaniques des composants préparés ont été analysées. Une analyse modale expérimentale a été menée sur la bielle dans des conditions fixes-libres pour identifier la fréquence naturelle et ses formes de mode, en outre les résultats ont été comparés avec les valeurs numériques. L'atelier ANSYS est utilisé pour estimer la charge de défaillance du composant en fonction de l'approche par éléments finis (FE). Les résultats obtenus à partir de l'analyse modale ont révélé que la bielle composite est plus stable dynamiquement que sa contrepartie non renforcée. Les bielles composites ont également montré une meilleure capacité de charge par rapport à l'Al7075 en termes de charge de traction et de compression. Les résultats de l'analyse de la charge de défaillance indiquent que sous une charge de compression, le composant se plie le long de la tige (poutre en I), tandis que sous une charge de traction, des fissures proviennent de la section reliant l'extrémité de l'axe de piston et la poutre en I. La bielle composite a subi une charge de compression de 13,5 % supérieure et une charge de traction de 16,5 % supérieure à celle de la bielle Al7075, ce qui en fait un matériau de remplacement approprié. Les mécanismes de défaillance ont été étudiés par micrographie électronique à balayage étendue des bielles fabriquées.

Translated Description (Spanish)

El aumento de la resistencia y la rigidez de una varilla de conexión compuesta de matriz metálica (MMC) en comparación con las varillas convencionales ha motivado a los investigadores en esta área. Esto abre una nueva ventana para la presente investigación, aquí las bielas de aleación Al7075 y compuesto a base de Al7075 se fabricaron mecanizando bloques compuestos utilizando un centro de mecanizado de control numérico por ordenador. Las bielas compuestas a base de Al7075 comprenden 91% de Al7075, 3% de nitruro de boro hexagonal (h-BN) y 6% de dióxido de circonio (ZrO2). Se analizaron las características modales y el rendimiento mecánico de los componentes preparados. Se realizó un análisis modal experimental en la biela en condiciones libres fijas para identificar la frecuencia natural y sus formas modales, además los resultados se compararon con los valores numéricos. El banco de trabajo ANSYS se utiliza para estimar la carga de falla del componente en función del enfoque de elementos finitos (FE). Los resultados obtenidos del análisis modal revelaron que la biela compuesta es más estable dinámicamente que su contraparte no reforzada. Las bielas compuestas también mostraron una mejor capacidad de carga en comparación con Al7075 en términos de carga de tracción y compresión. Los resultados del análisis de carga de falla indican que bajo carga de compresión el componente se dobla a lo largo del vástago (viga en I), mientras que bajo carga de tracción, se originan grietas en la sección que conecta el extremo del pasador del pistón y la viga en I. La biela compuesta soportó un 13,5% más de carga de compresión y un 16,5% más de carga de tracción que la biela Al7075, lo que la convierte en un material alternativo adecuado. Los mecanismos de falla se han investigado mediante una amplia micrografía electrónica de barrido de las bielas fabricadas.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
قضيب توصيل مركب جديد: دراسة حول السلوك الميكانيكي والديناميكي من خلال نهج العناصر التجريبية والمحدودة
Translated title (French)
Une nouvelle bielle composite : étude du comportement mécanique et dynamique par approche expérimentale et éléments finis
Translated title (Spanish)
Una nueva biela compuesta: estudio sobre el comportamiento mecánico y dinámico a través del enfoque experimental y de elementos finitos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4387745832
DOI
10.1016/j.jcomc.2023.100413

Is supplement to
https://openalex.org/W4386454938 (Other)
https://openalex.org/W4255627456 (Other)
https://openalex.org/W4241334032 (Other)
https://openalex.org/W3009853284 (Other)
https://openalex.org/W2467843423 (Other)
https://openalex.org/W2463937687 (Other)
https://openalex.org/W2382175186 (Other)
https://openalex.org/W2379940971 (Other)
https://openalex.org/W2368404078 (Other)
https://openalex.org/W2364777625 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
India

References

  • https://openalex.org/W1511880202
  • https://openalex.org/W1975966199
  • https://openalex.org/W1992396776
  • https://openalex.org/W1993517223
  • https://openalex.org/W1995808832
  • https://openalex.org/W2016265344
  • https://openalex.org/W2019186209
  • https://openalex.org/W2019238596
  • https://openalex.org/W2028305263
  • https://openalex.org/W2035325687
  • https://openalex.org/W2048214137
  • https://openalex.org/W2050310889
  • https://openalex.org/W2054165845
  • https://openalex.org/W2064422875
  • https://openalex.org/W2075596990
  • https://openalex.org/W2088510449
  • https://openalex.org/W2106536596
  • https://openalex.org/W2111628148
  • https://openalex.org/W213051472
  • https://openalex.org/W2231999568
  • https://openalex.org/W2273496349
  • https://openalex.org/W2314097259
  • https://openalex.org/W2325794386
  • https://openalex.org/W2328514151
  • https://openalex.org/W2606828783
  • https://openalex.org/W2615889389
  • https://openalex.org/W2803977467
  • https://openalex.org/W2900976470
  • https://openalex.org/W3010471607
  • https://openalex.org/W3026491867
  • https://openalex.org/W4210327135
  • https://openalex.org/W4229572971
  • https://openalex.org/W4302385875
  • https://openalex.org/W4315652047