SUPERVISOR
Hamidreza Mirdamadi,Mostafa Ghayour
سیدحمیدرضا میردامادی (استاد راهنما) مصطفی غیور (استاد راهنما)
STUDENT
Peyman Hajheidari
پیمان حاج حیدری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Vibration Analysis of Rotating Beams with Functionally Graded Properties
The constant needs of the industry impel the engineering community in seeking of new concepts and new strategies in order to improve the structural response of structures as well as to enhance the endurance of materials. This is particularly true in the case of rotating blades that are subjected to severe environmental conditions such as high temperatures as well as mechanical conditions such as high rotating accelerations, centrifugal forces, geometric stiffening, among others. Creation and discovery of advanced composite materials containing functionally graded materials is a solution for this problem. Utilizing functionally graded materials is effective because of high mechanical and thermal resistance and also is not difficult to delimitate. An important characteristic in the dynamic analysis of functionally graded beams is computational of their natural frequencies and mode shapes. This is important as the functionally graded beams structures often operate in complex environment conditions with high temperature and are frequently exposed to a variety of dynamic excitations. The characteristics of rotating flexible structures differ significantly from those of non-rotating flexible structures. Centrifugal inertia force due to rotational motion causes the variation of bending stiffness, which naturally results in the variations of natural frequencies and mode shapes. Moreover, the stiffness property of functionally graded structures can be easily modulated through changing power-law exponent of functionally graded materials. Power-law exponent dictates the material variation profile through the predetermined direction of the beam. The finite element method is one of the most powerful numerical procedures for solving complex problems in various branches of engineering and physics. Nowadays, some advanced elements have been introduced, among them is element with 8 degrees of freedom. In normal element (i.e. element with 4 degrees of freedom), a beam element is modeled using two nodes at the end and every node has two degrees of freedom. Therefore, a large number of elements are needed for modeling of the beam and to achieve an acceptable accuracy. By using element with 8 degrees of freedom, some derivational terms are added to the nodes of element and displacement function obtains extra degrees of freedom. Thus, the same accuracy can be achieved by using much less number of elements. This results in rapid convergence. In this thesis, the free vibration analysis of rotating and non-rotating beams made of functionally graded materials for purely out-of-plane motion (flap) and purely in-plane motion (lag) is investigated. Numerical finite element method with two type element 4 and 8 degrees of freedom is applied to find the natural frequencies and mode shapes of functionally graded beams in the bending mode of vibration by taking into account the taper ratio and the rotation simultaneously. In this study, as well as, a nonlinear model is developed appealing to a nonlinear strain–displacement relation. Numerical Newark’s method is employed to solve the nonlinear model and to obtain a numerical approximation of the motion equations. The element mass, damping and stiffness matrices are derived and the effects of hub radius, slenderness ratio, rotation, taper ratio, material constituents and shear deformation on the beam natural frequencies are investigated. Keywords: Natural Frequencies, Functionally Graded Materials, Tapered Beam, Finite Element Method, Numerical Newark’s Method, Flap, Lag
تیرهای چرخان کاربردهای عملی گستردهای در مهندسی مکانیک و هوافضا پیدا کردهاند، این تیرها نقش مهمی را در مدلسازی کاربردهای مهندسی همچون پرههای توربین، پرههای هلیکوپتر، ملخ هواپیما و بازوی مکانیکی رباتها و . . . ایفا میکنند. با توجه به وجود چنین کاربردهای گستردهای برای تیرهای چرخان، آنالیز ارتعاشات این تیرها اهمیت پیدا میکند. نیازهای دائم و رو به رشد صنعت، مهندسان را مجبور به تلاش برای یافتن راه حلها و مواد جدیدی برای بهبود بخشیدن به پاسخ ساختاری سازهها و همچنین بالا بردن تحمل و پایداری مواد کرده است. این موضوع به خصوص در مورد تیرهای چرخان که در معرض شرایط محیطی سخت همچون دمای بالا و شرایط مکانیکی همچون شتابهای چرخشی بالا، نیروهای محوری و سختی هندسی قرار دارند قابل درک بوده و بیشتر به واقعیت نزدیک میباشد. پیدایش و کشف مواد مرکب پیشرفته شامل مواد FGM، راه حلی برای این مشکل میباشد. به کارگیری مواد FGM از این جهت که هم مقاومت گرمایی و مکانیکی بالایی داشته و هم مشکل لایه لایه شدن را نسبت به مواد دیگر همچون مواد مرکب سنتی ندارند، موثر میباشد. در این تحقیق به تحلیل ارتعاشات تیرهای چرخان یکنواخت و باریکشونده ساخته شده از مواد FGM پرداخته میشود. برای تیر یکنواخت معادلههای ارتعاشی گسسته شده بر حسب زمان برای حرکت بال زدن(Flap) و لنگ زدن(Lag) بر اساس مدل خطی و غیرخطی بر اساس رابطهی غیر خطی کرنش - جابهجایی با استفاده از روش المان محدود بدست میآید. در مدل غیرخطی با توجه به اینکه سختی سیستم تابع تغییر مکان گرههای المان میباشد، بنابراین از روش عددی نیومارک برای حل معادلات گسسته شده و محاسبه فرکانسهای طبیعی سیستم استفاده میشود. در این حالت اثرات تغییر خواص درجه بندی شده، مدل غیرخطی، سرعت دورانی و. . . بر روی فرکانسهای سیستم بررسی میشود. در ادامه ارتعاشات تیرهای چرخان باریک شونده ساخته شده از مواد FGM در حالت بال زدن و لنگ زدن تیر مورد تحلیل قرار میگیرد. در این بررسی فرض میشود که عرض و ضخامت تیر مطابق با یک رابطه خطی در طول تیر تغییر میکنند. در این حالت معادلات حرکت سیستم با استفاده از روش المان محدود و با کاربرد دو نوع المان گسسته شده و معادلات نهایی گسسته شده زمانی استخراج میشوند. برای تیر باریک شونده از دو نوع المان 4 و 8 درجه آزادی استفاده شده و همچنین نتایج دو نوع المان با هم مقایسه شده است. در این بررسی اثرات باریک شوندگی و سرعت دورانی بر روی فرکانسها و شکل مودهای سیستم بررسی شده است. تیر بر اساس دو تئوری تیر کلاسیک(اویلر- برنولی) و مرتبه اول(تیموشنکو) مدل شده و اثرات تغییر شکل برشی سطح مقطع، اینرسی دورانی و شتاب کریولیس مد نظر قرار گرفته است. پاسخها در هر دو قسمت با نتایج موجود در مقالات مقایسه شده و صحت آنها مورد تایید قرار گرفته است. لغات کلیدی: 1- مواد FGM 2-تیر باریک شونده 3-روش المان محدود 4-روش عددی نیومارک 5-فرکانسهای طبیعی