دانش و فناوری هوافضا

دانش و فناوری هوافضا

مطالعه اثر بستر الاستیک بر روی ویژگی‌های ارتعاشی پوسته استوانه‌ای تقویت شده از جنس مواد مدرج تابعی بهینه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دکترای هوافضا، گروه مهندسی هوافضا، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران
2 استادیار، گروه مهندسی هوافضا، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران
3 استاد، گروه مهندسی هوافضا دانشکده فناوری های نوین، دانشگاه تهران
چکیده
بررسی رفتار ارتعاشی و بهینه­سازی پوسته برای افزایش فرکانس­های طبیعی بخش مهمی از مطالعات محققین سازه می باشد. در این تحقیق، بهینه­سازی پوسته­ای از جنس مواد مدرج تابعی که با تقویت کننده­های افقی و عمودی تقویت شده است و بر روی بستر الاستیک قرار دارد مورد مطالعه قرار گرفته است. معادلات حاکم بر پوسته بر اساس تکنیک تقویت‌کننده‌های لخنیتسکی و استفاده از اصل همیلتون با در نظر گرفتن نظریه تغییر شکل برشی مرتبه اول پوسته و با کمک روش اجزای محدود به‌دست آمده ‌است. پوسته با استفاده از الگوریتم ژنتیک بهینه می­شود. در بهینه­سازی حاضر وزن سازه و فرکانس­های آن بترتیب قید و تابع هدف می­باشند و پارامترهای درصد کسر حجمی، ضخامت پوسته و تقویت کننده­ها و ضریب سفتی بستر الاستیک متغیرهای بهینه­سازی می­باشند. نتایج بدست آمده نشان دهنده افزایش فرکانس در وزن ثابت بوده­اند که کارایی الگوریتم بهینه­سازی حاضر را نشان داده­اند. همچنین میرایی برای بستر الاستیک در نظر گرفته شده­است تا میزان تاثیر
بهینه­سازی در پاسخ زمانی پوسته تحت ارتعاش را نمایان کند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Study of the effect of elastic foundation on the vibration characteristics of a cylindrical shell reinforced with optimally functional graded materials

نویسندگان English

Saeed Bakhtiyar Aghamaleki 1
Amir Hossein Hashemian 2
Mehdi Fakoor 3
1 Ph.D. Candidate, Department of Aerospace Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Department of Aerospace Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
3 Faculty of New Sciences & Technologies, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

Investigating vibration behavior and optimizing the shell to increase natural frequencies is an important part of structural researchers' studies. In this research, the optimization of a shell made of functionally graded materials reinforced with horizontal and vertical reinforcements and placed on an elastic foundation has studied. The governing equations of the shell obtained based on the Lekhnitsky reinforcement technique and using Hamilton's principle, considering the first-order shear deformation theory of the shell and with the help of the finite element method. The shell optimized using a genetic algorithm. In the present optimization, the weight of the structure and its frequencies are the constraint and objective function, respectively, and the parameters of volume fraction percentage, shell and reinforcement thickness, and elastic foundation stiffness coefficient are the optimization variables. The results obtained showed an increase in frequency at constant weight, which demonstrated the effectiveness of the present optimization algorithm. Damping also considered the elastic foundation to show the effect of optimization on the time response of the shell under vibration.

کلیدواژه‌ها English

FGM stiffened cylindrical shell. Free vibration. FEM. Natural frequency. Genetic Algorithm. Damped vibrations
[1] Mashat, Daoud S., et al.: Free vibration of FGM layered beams by various theories and finite elements. Composites Part B: Engineering 59,269-278 , 2014.
[2] Eltaher, M. A. M., et al.: Free vibration characteristics of a functionally graded beam by finite element method. www. Elsevier. com/locate/apm, 2011.
[3] Mahamood, RM., Akinlabi, ET.: Types of functionally graded materials and their areas of application. Functionally graded materials, 2017.
[4] Yang, Q., et al.: Stress analysis of a functional graded material plate with a circular hole. Archive of Applied Mechanics, 80, 895-907, 2010.
[5] Li, Q., & Popov, V. L.: Boundary element method for normal non-adhesive and adhesive contacts of power-law graded elastic materials. Computational Mechanics, 61(3), 319-329, 2018.
[6] Koizumi, M.: FGM activities in Japan. Composites part B: engineering, 28(1-2), 1-4, 1997.
[7] Rastogi, N., Johnson, E. R.: Analysis of an internally pressurized orthogonally stiffened cylindrical shell with an asymmetrical section ring. Mechanics of Composite Materials and Structures an international Journal, 3(1), 29-64, 1996.
[8] Roundy, S., et al.: Energy scavenging for wireless sensor networks: with special focus on vibrations. Kluwer Academic, Boston, 2004.
[9] Wang, W., et al.: Development and Prospect of Smart Materials and Structures for Aerospace Sensing Systems and Applications. Sensors, 23(3), 1545, 2023.
[10] Hemmatnezhad, M., Rahimi, G. H., & Ansari, R. On the free vibrations of grid-stiffened composite cylindrical shells. Acta Mechanica, 225(2), 609-623, 2014.
[11] Chate, A., et al.: Analysis of free damped vibrations of laminated composite cylindrical shells. Mechanics of composite materials, 31, 474-484, 1996.
[12] Najafizadeh, M. M., & Isvandzibaei, M. R. Vibration of functionally graded cylindrical shells based on higher order shear deformation plate theory with ring support. Acta Mechanica, 191(1), 75-91, 2007.
[13] Iqbal, Z., Naeem, M. N., & Sultana, N. Vibration characteristics of FGM circular cylindrical shells using wave propagation approach. Acta Mechanica, 208(3), 237-248, 2009.
[14] Mehrabani, M. M., et al.: Multidisciplinary optimization of a stiffened shell by genetic algorithm. Journal of mechanical science and technology, 26, 517-530, 2012.
[15] Sofiyev, A. H. Dynamic buckling of functionally graded cylindrical thin shells under non-periodic impulsive loading. Acta Mechanica, 165(3), 151-163, 2003.
[16] Zhao, X., et al.: Vibrations of rotating cross-ply laminated circular cylindrical shells with stringer and ring stiffeners. International Journal of Solids and Structures, 39(2), 529-545, 2002.
[17] Mustafa, B. A. J., Ali, R.: An energy method for free vibration analysis of stiffened circular cylindrical shells. Computers & structures, 32(2), 355-363, 1989.
[18] Tran, M. T., et al.: Free vibration of stiffened functionally graded circular cylindrical shell resting on Winkler–Pasternak foundation with different boundary conditions under thermal environment. Acta mechanica, 231, 2545-2564, 2020.
[19] Nguyen, V. L., Hoang, T. P.: Analytical solution for free vibration of stiffened functionally graded cylindrical shell structure resting on elastic foundation. SN Applied Sciences, 1(10), 1150, 2019.
[20] Babaei, M., Asemi, K.: Static, dynamic and natural frequency analyses of functionally graded carbon nanotube annular sector plates resting on viscoelastic foundation. SN Applied Sciences, 2, 1-21, 2020.
[21] Zienkiewicz, O. C., et al.: The finite element method: its basis and fundamentals. Elsevier, 2005.
[22] SIMULIA User Assistance, 2021.
[23] Yu, D., et al.: High-cycle fatigue life prediction for Pb-free BGA under random vibration loading. Microelectronics Reliability, 51(3), 649-656, 2011.
[24] Timoshenko, S., Woinowsky-Krieger, S.: Theory of plates and shells (Vol. 2, pp. 240-246). New York: McGraw-hill, 1959.