Performance Comparison of Composite and Steel Shafts Based on Stress–Strain Response and Fatigue Life
The increasing demand for lightweight, high-performance rotating machinery has sparked growing interest in replacing traditional steel shafts with advanced composite alternatives. This study provides a comparative analysis of stress–strain behavior and fatigue life for steel and composite shafts wit...
Gespeichert in:
| Datum: | 2026 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
2026
|
| Online Zugang: | https://journals.uran.ua/jme/article/view/367946 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Energy Technologies & Resource Saving |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Energy Technologies & Resource Saving| _version_ | 1872008921918472192 |
|---|---|
| author | Abner, Chikwado Enyinnaya Ugoji, Kelechi Uchenna Green, Ibim Abba Umar, Shamsu Igbere, Ndukam Billy |
| author_facet | Abner, Chikwado Enyinnaya Ugoji, Kelechi Uchenna Green, Ibim Abba Umar, Shamsu Igbere, Ndukam Billy |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Chikwado Enyinnaya Abner",
"institution": "Ogbonnaya Onu Polytechnic"
},
{
"author": "Kelechi Uchenna Ugoji",
"institution": "Federal Polytechnic of Oil and Gas, Bonny"
},
{
"author": "Ibim Abba Green",
"institution": "Federal Polytechnic of Oil and Gas, Bonny"
},
{
"author": "Shamsu Umar",
"institution": "Federal Polytechnic of Oil and Gas, Bonny"
},
{
"author": "Ndukam Billy Igbere",
"institution": "Federal Polytechnic of Oil and Gas, Bonny"
}
] |
| author_sort | Abner, Chikwado Enyinnaya |
| baseUrl_str | https://journals.uran.ua/jme/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-28T12:52:53Z |
| description | The increasing demand for lightweight, high-performance rotating machinery has sparked growing interest in replacing traditional steel shafts with advanced composite alternatives. This study provides a comparative analysis of stress–strain behavior and fatigue life for steel and composite shafts with identical geometries, subjected to combined axial and torsional loading. The investigation combines analytical modeling, MATLAB-based numerical simulations, and fatigue life predictions using the stress–life (S–N) approach. Under the applied loading, the composite shaft shows a higher elastic strain (1.20×102) than steel (8.2×101), reflecting its lower effective modulus. Fatigue analysis demonstrates that the composite shaft can sustain nearly 1.94 times the fatigue stress amplitude of steel at 10⁷ cycles, highlighting its superior high-cycle fatigue resistance. Moreover, the composite shaft achieves a remarkable 79.6% weight reduction (3.77 kg vs. 18.50 kg for steel) and a higher safety factor (9.38 compared to 6.21). Its stiffness-to-weight ratio is over three times greater than that of steel, indicating significantly improved structural efficiency. While the initial material cost for composites is higher, the results clearly show that composite shafts offer substantial advantages in applications where fatigue performance and weight savings are critical. These findings provide a solid analytical and numerical foundation for informed material selection and the design optimization of rotating shafts. |
| first_indexed | 2026-07-29T01:00:28Z |
| format | Article |
| fulltext | |
| id | oai:ojs.journals.uran.ua:article-367946 |
| institution | Energy Technologies & Resource Saving |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-07-29T01:00:28Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | journalsuranua/c8/b7e0bc5b50cc43673f3a7f1e26ed53c8.pdf |
| spelling | oai:ojs.journals.uran.ua:article-3679462026-07-28T12:52:53Z Performance Comparison of Composite and Steel Shafts Based on Stress–Strain Response and Fatigue Life Порівняння характеристик композитних та сталевих валів на основі напружено-деформаційної реакції та втомної довговічності Порівняння характеристик композитних та сталевих валів на основі напружено-деформаційної реакції та втомної довговічності Abner, Chikwado Enyinnaya Ugoji, Kelechi Uchenna Green, Ibim Abba Umar, Shamsu Igbere, Ndukam Billy The increasing demand for lightweight, high-performance rotating machinery has sparked growing interest in replacing traditional steel shafts with advanced composite alternatives. This study provides a comparative analysis of stress–strain behavior and fatigue life for steel and composite shafts with identical geometries, subjected to combined axial and torsional loading. The investigation combines analytical modeling, MATLAB-based numerical simulations, and fatigue life predictions using the stress–life (S–N) approach. Under the applied loading, the composite shaft shows a higher elastic strain (1.20×102) than steel (8.2×101), reflecting its lower effective modulus. Fatigue analysis demonstrates that the composite shaft can sustain nearly 1.94 times the fatigue stress amplitude of steel at 10⁷ cycles, highlighting its superior high-cycle fatigue resistance. Moreover, the composite shaft achieves a remarkable 79.6% weight reduction (3.77 kg vs. 18.50 kg for steel) and a higher safety factor (9.38 compared to 6.21). Its stiffness-to-weight ratio is over three times greater than that of steel, indicating significantly improved structural efficiency. While the initial material cost for composites is higher, the results clearly show that composite shafts offer substantial advantages in applications where fatigue performance and weight savings are critical. These findings provide a solid analytical and numerical foundation for informed material selection and the design optimization of rotating shafts. Зростаючий попит на легкі та високопродуктивні обертові механізми викликав інтерес до заміни традиційних сталевих валів сучасними композитними альтернативами. В цьому дослідженні запропоновано порівняльний аналіз напружено-деформаційної поведінки та втомної довговічності для сталевих і композитних валів з однаковою геометрією, які піддаються комбінованому осьовому та крутильному навантаженню. У роботі поєднано аналітичне моделювання, чисельне моделювання на основі MATLAB та прогнозування втомної довговічності за методом «напруження‑довговічність» (S–N). Під дією навантаження композитний вал демонструє вищу пружну деформацію (1,20×10²), ніж сталь (8,2×10¹), що відображає його нижчий ефективний модуль. Аналіз втоми показує, що композитний вал витримує майже у 1,94 рази більшу амплітуду напруження при 10⁷ циклах порівняно зі сталевим, що підкреслює його вищу стійкість до втоми у режимі великої кількості циклів. Крім того, композитний вал забезпечує значне зменшення ваги на 79,6% (3,77 кг проти 18,50 кг для сталі) та вищий коефіцієнт запасу міцності (9,38 проти 6,21). Його співвідношення жорсткості до ваги більш ніж утричі перевищує ці показники для сталі, що свідчить про значно покращену конструктивну ефективність. Хоча початкова вартість матеріалу для композитів є вищою, результати чітко показують, що композитні вали мають суттєві переваги у застосуваннях, де критичними є втомна довговічність та менша вага. Ці висновки забезпечують міцну аналітичну та чисельну основу для обґрунтованого вибору матеріалів і оптимізації конструкції обертових валів. Зростаючий попит на легкі та високопродуктивні обертові механізми викликав інтерес до заміни традиційних сталевих валів сучасними композитними альтернативами. В цьому дослідженні запропоновано порівняльний аналіз напружено-деформаційної поведінки та втомної довговічності для сталевих і композитних валів з однаковою геометрією, які піддаються комбінованому осьовому та крутильному навантаженню. У роботі поєднано аналітичне моделювання, чисельне моделювання на основі MATLAB та прогнозування втомної довговічності за методом «напруження‑довговічність» (S–N). Під дією навантаження композитний вал демонструє вищу пружну деформацію (1,20×10²), ніж сталь (8,2×10¹), що відображає його нижчий ефективний модуль. Аналіз втоми показує, що композитний вал витримує майже у 1,94 рази більшу амплітуду напруження при 10⁷ циклах порівняно зі сталевим, що підкреслює його вищу стійкість до втоми у режимі великої кількості циклів. Крім того, композитний вал забезпечує значне зменшення ваги на 79,6% (3,77 кг проти 18,50 кг для сталі) та вищий коефіцієнт запасу міцності (9,38 проти 6,21). Його співвідношення жорсткості до ваги більш ніж утричі перевищує ці показники для сталі, що свідчить про значно покращену конструктивну ефективність. Хоча початкова вартість матеріалу для композитів є вищою, результати чітко показують, що композитні вали мають суттєві переваги у застосуваннях, де критичними є втомна довговічність та менша вага. Ці висновки забезпечують міцну аналітичну та чисельну основу для обґрунтованого вибору матеріалів і оптимізації конструкції обертових валів. Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України 2026-07-28 Article Article application/pdf https://journals.uran.ua/jme/article/view/367946 Journal of Mechanical Engineering; Vol. 29 No. 2 (2026); 13-21 Проблемы машиностроения; Том 29 № 2 (2026); 13-21 Проблеми машинобудування; Том 29 № 2 (2026); 13-21 2709-2992 2709-2984 en https://journals.uran.ua/jme/article/view/367946/352970 Copyright (c) 2026 Chikwado Enyinnaya Abner, Kelechi Uchenna Ugoji, Ibim Abba Green, Shamsu Umar, Ndukam Billy Igbere http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0 |
| spellingShingle | Abner, Chikwado Enyinnaya Ugoji, Kelechi Uchenna Green, Ibim Abba Umar, Shamsu Igbere, Ndukam Billy Performance Comparison of Composite and Steel Shafts Based on Stress–Strain Response and Fatigue Life |
| title | Performance Comparison of Composite and Steel Shafts Based on Stress–Strain Response and Fatigue Life |
| title_alt | Порівняння характеристик композитних та сталевих валів на основі напружено-деформаційної реакції та втомної довговічності Порівняння характеристик композитних та сталевих валів на основі напружено-деформаційної реакції та втомної довговічності |
| title_full | Performance Comparison of Composite and Steel Shafts Based on Stress–Strain Response and Fatigue Life |
| title_fullStr | Performance Comparison of Composite and Steel Shafts Based on Stress–Strain Response and Fatigue Life |
| title_full_unstemmed | Performance Comparison of Composite and Steel Shafts Based on Stress–Strain Response and Fatigue Life |
| title_short | Performance Comparison of Composite and Steel Shafts Based on Stress–Strain Response and Fatigue Life |
| title_sort | performance comparison of composite and steel shafts based on stress–strain response and fatigue life |
| url | https://journals.uran.ua/jme/article/view/367946 |
| work_keys_str_mv | AT abnerchikwadoenyinnaya performancecomparisonofcompositeandsteelshaftsbasedonstressstrainresponseandfatiguelife AT ugojikelechiuchenna performancecomparisonofcompositeandsteelshaftsbasedonstressstrainresponseandfatiguelife AT greenibimabba performancecomparisonofcompositeandsteelshaftsbasedonstressstrainresponseandfatiguelife AT umarshamsu performancecomparisonofcompositeandsteelshaftsbasedonstressstrainresponseandfatiguelife AT igberendukambilly performancecomparisonofcompositeandsteelshaftsbasedonstressstrainresponseandfatiguelife AT abnerchikwadoenyinnaya porívnânnâharakteristikkompozitnihtastalevihvalívnaosnovínapruženodeformacíjnoíreakcíítavtomnoídovgovíčností AT ugojikelechiuchenna porívnânnâharakteristikkompozitnihtastalevihvalívnaosnovínapruženodeformacíjnoíreakcíítavtomnoídovgovíčností AT greenibimabba porívnânnâharakteristikkompozitnihtastalevihvalívnaosnovínapruženodeformacíjnoíreakcíítavtomnoídovgovíčností AT umarshamsu porívnânnâharakteristikkompozitnihtastalevihvalívnaosnovínapruženodeformacíjnoíreakcíítavtomnoídovgovíčností AT igberendukambilly porívnânnâharakteristikkompozitnihtastalevihvalívnaosnovínapruženodeformacíjnoíreakcíítavtomnoídovgovíčností |