Skip to main content
SUPERVISOR
Hassan Khademi zadeh,Hamidreza Mirdamadi
حسن خادمی زاده (استاد راهنما) سیدحمیدرضا میردامادی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mohamad Ahmadi
محمدتقی احمدی خسروآبادی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387

TITLE

Buckling Analysis of Functionally Graded Cylindrical Shells under Axial and Radial Pressure in Thermal Environments
The use of functionally graded materials (FGM) has gained much popularity in recent years in extreme high temperature environment such a nuclear reactor and high speed spacecraft industries. Buckling is the most important in these structures. In this thesis thermal and mechanical buckling of FGM cylindrical shell in thermal environment, under axial and radial load are discussed. It is assumed that the shell is a mixture of metal and ceramic that his properties change continuously and smoothly through its thickness of shell, according to a power law distribution of volume fraction of constituents, temperature-dependent material properties are taken onto account. The governing equations are based on the first-order shell theory and the nonlinear strain-displacement relations of large deformation. based on Donnell’shell theory the equilbrium equation and stability equation of cylindrical shell are derived firstly, Then the results are presented for shell with simply supported boundary condition subjected to three types of thermal loading. Also stability state of FGM cylindrical shell is derived by applying the finite element method on the second variation of potential energy (Trefftz criterion). ABAQUS software was used to solve for instability problem, The analytical results are compared and validated using the finite element method. Finally thermal buckling under mentioned thermal conditions, in the two modes of temperature-dependent properties and properties independent of temperature has been investigated. Numerical results show various effects of power law exponent, temperature and dimensional parameters on buckling. Using the obtained results, the effect of variations of gradient index of material, the ratio radius to thickness and the ratio length to radius in critical buckling load are studied through pertinent computations. meanwhile, by taking into account the temperature-dependent material properties, various effects of the external thermal environments are also investigated. Numerical result show that axial buckling load decrease with an increase in the radius to thickness ratio, the increase in the length to radius ratio has no effect on buckling load, and it increases the wave number of the buckled shaped. Radial buckling load decreases with an increase in the radius to thickness ratio and length to radius ratio. Axial and radial buckling loads decrease with an increase of inhomogeneous parameter or power law exponent. Buckling temperature difference decreases as the material volume fraction exponent increases monotonically and increases linearly as the thickne to radius ratio increases. Keywords:Functionally graded material, buckling, cylindrical shell, temperature dependent properties
استفاده از استوانه‌های جدار نازکFGM در طول سال‌های اخیر در محیط‌های با دمای حرارتی بالا، نظیر راکتور‌های هسته‌ای و صنایع هوایی و فضایی با سرعت بالا، کاربرد بسیاری پیداکرده‌اند. مبحث کمانش در رفتار مکانیکی آن‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. در این پروژه، کمانش مکانیکی و حرارتی استوانه‌های جدار نازک FGM تحت بارگذاری شعاعی و محوری در محیط‌های حرارتی مورد بررسی قرار گرفته است. ماده FGM ترکیبی از فلز و سرامیک فرض شده، خواص ماده به صورت تابعی از ضخامت پوسته،آرام و پیوسته برحسب توزیع توانی نسبت ‌ های حجمی تشکیل‌‌دهنده(فلز و سرامیک) تغییر می‌کند، همچنین خواص ماده وابسته به دما در نظرگرفته شده است. معادلات بر اساس تئوری مرتبه اول پوسته‌ها و روابط غیرخطی سینماتیک ساندرز می‌باشند. ابتدا طبق تئوری دانل معادلات تعادل و پایداری استوانه‌های جدار نازک استخراج و توابع مثلثاتی برای تغییر‌مکان که شرایط مرزی را ارضا کند، در نظرگرفته شده، نتایج در مورد تکیه‌گاه ساده تحت 3 نوع شرط مرزی حرارتی ارائه شده است. همچنین با اعمال روش اجزای محدود بر تغییرات دوم انرژی (معیار ترفتز) با صرفنظر کردن از چرخش‌های قبل از کمانش، پایداری استوانه جدار نازک FGM مورد بررسی قرار گرفته است. علاوه بر آن به کمک نرم افزار اجزای محدود ABAQUS، مقادیر ویژه بار بحرانی محاسبه و نتایج تحلیلی بدست آمده با نتایج نرم افزار مقایسه شده است. با توجه به نتایج بدست آمده، اثرات تغییرات توان نسبت حجمی، پارامترهای هندسی نظیر نسبت شعاع به ضخامت و نسبت طول به شعاع و محیط حرارتی خارجی بر بار کمانش مورد بررسی قرارگرفته است. نتایج بدست آمده نشان می‌دهد، بار بحرانی کمانش تحت بارگذاری محوری مستقل از نسبت طول به شعاع است و با افزایش این نسبت فقط تعداد مود شیپ‌های هندسی کمانش افزایش می‌یابد، ولی با افزایش نسبت شعاع به ضخامت بار بحرانی کمانش به شدت کاهش می‌یابد. در بارگذاری شعاعی بار بحرانی کمانش با افزایش نسبت طول به شعاع و نسبت شعاع به ضخامت کاهش می‌یابد. در هر دو نوع بارگذاری مکانیکی ذکر شده، بار بحرانی کمانش به شدت به توان نسبت حجمی وابسته است و با افزایش توان نسبت حجمی کاهش پیدا می‌کند. در نهایت کمانش حرارتی تحت 3 نوع بارگذاری تغییرات یکنواخت، خطی و غیر خطی دما در دو حالت خواص وابسته به دما و خواص مستقل از دما بررسی شده است. نتایج کمانش حرارتی نشان می‌دهد که اختلاف درجه حرارت بحرانی، با افزایش پارامتر هندسی نسبت شعاع به ضخامت وافزایش توان نسبت حجمی، کاهش می‌یابد. اختلاف درجه حرارت بحرانی در حالت خواص وابسته به دما به مراتب کمتر ازخواص مستقل از دما می‌باشد. نتایج برای حالات مختلف بارگذاری مکانیکی و حرارتی و چند ترکیب مختلف فلز و سرامیک ارائه و با مقالات دیگران مقایسه شده است. کلمات کلیدی: مواد با عملکرد درجه بندی شده، کمانش، استوانه‌های جدار نازک، خواص وابسته به دما

ارتقاء امنیت وب با وف بومی