SUPERVISOR
Saeed ZeiaeiRad,Mostafa Ghayour,Reza Tikkani
سعید ضیائی راد (استاد راهنما) مصطفی غیور (استاد راهنما) رضا تیکنی (استاد مشاور)
STUDENT
Ahmad Firouzian Nejad
احمد فیروزیان نژاد
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Experimental and Numerical Study of Static and Dynamic Behavior of a Bi-Stable Hybrid Composite Laminate
In the recent years, morphing or shape-adaptive structures increasingly being considered as a solution for better performance of aircraft. These structures change their shape and operating characteristics as a response to changes in the environmental and load conditions. Current designs used in morphing structures consist of complex assemblies of rigid bodies hinged to the main structure and several actuators. To improve morphing structures, bi-stable composite structures could provide an interesting alternative to traditional designs, thanks to their high strength to weight ratio and multiple equilibrium configurations that can be maintained without the need for continuous energy supply. In this regard many studies have been done on the static and dynamic response of bi-stable composite structures. However, hygrothermal variability with environmental conditions, low stiffness, low snap-through load, and restrictive configurations of bi-stable composite laminates limit their application. To address some of these limitations, bi-stable hybrid composite laminates are proposed as a suitable alternative for the conventional bi-stable composite structures. According to the above explanations, in the first part of this thesis, the static and dynamic responses of bi-stable hybrid composite laminates (BHCLs) with an inner isotropic metal layer [0 n /Metal/90 n ] T are scrutinized analytically and experimentally, and their behavior are compared to bi-stable pure composite laminates (BPCLs) including [0 n /90 n ] T . In the analytical method, the nonlinear static equations are extracted using the principle of minimizing the total potential energy and the Rayleigh-Ritz method. The stable configurations, out of plane displacement and static snap through load are investigated. The results show that adding an inner metal layer to BPCLs has the potential to increase the curvature and static load carrying capability up to two and five times, respectively when compared to a BPCLs with the same thickness. The analytical method are developed based on Hamilton’s principle to extract the nonlinear differential dynamic equations and investigate the natural frequency and dynamic response under base excitation. In order to validate the analytical results, several BPCLs and BHCLs are fabricated and further experimental analysis are performed to characterize the major curvatures, out of plane displacement, snap-through load, damping viscous ratio, the first natural frequency and corresponding mode shape, dynamic response under base excitation, and critical base excitation that causes the snapping between the two different stable shapes. In another part of the thesis, a new category of BHCLs that contains multiple metal strips in the middle layer are introduced. The laminates are simulated using finite element analysis. The effect of the number, width, thickness, and mechanical properties (thermal expansion coefficient and Young's modulus) of the metal strips on the static characteristics of the laminate are numerically investigated in ABAQUS and experimentally validated. The results show that the new category of BHCLs will give designers the more flexibility to tune the parameters for a desired application. Fabrication of several BHCLs with metal strips in the middle layer is another innovation of this thesis. Keywords : Bi-stable hybrid composite laminate, thermal and mechanical loading, vibration response, static response, Hamilton principle, finite element methods.
در سالهای اخیر، سازههای مورفینگ و تطبیق شونده بهعنوان راه حلی برای عملکرد بهتر سازههای فضایی در نظر گرفته میشوند. هندسه و خواص این سازهها با توجه به شرایط محیطی و بار اعمالی متفاوت بوده و برحسب نیاز تغییر میکند. طرحهای فعلی استفاده شده در سازههای مورفینگ معمولاً شامل مجموعه ی پیچیدهای از اجزای مکانیکی به هم متصل شده و محرکهای مختلف میباشد. سازههای مرکب دوپایا به خاطر داشتن دو حالت پایدار، عدم نیاز به منبع دائم انرژی برای ماندن در هر کدام از این حالتهای پایدار، نسبت استحکام به وزن بالا و سادگی میتوانند جایگزین خوبی برای طرحهای فعلی در سازههای مورفینگ باشند. تاکنون مطالعات زیادی در زمینهی پاسخ استاتیکی و دینامیکی سازههای مرکب دوپایا انجام شده است. با این حال بهدلیل محدودیتهای سازههای مرکب دوپایا مانند متأثر بودن از رطوبت و دما، سفتی و ظرفیت تحمل بار کم، تغییر راستای انحنای اصلی هنگام پرش ناگهانی و کم بودن میزان جابهجایی خارج از صفحه، همچنان مشکلات زیادی در کاربرد عملی این سازهها مشاهده میشود. بهمنظور حذف و یا کاهش مشکلات اشاره شده، ورقهای مرکب دوپایای هیبریدی بهعنوان جایگزین ورقهای مرکب دوپایای معمول در سازههای مورفینگ پیشنهاد شده اند. با توجه به توضیحات بالا، در بخش ابتدایی این رساله رفتار استاتیکی و دینامیکی ورقهای مرکب دوپایای معمول با چینش T [ n 90/ n 0] و هیبریدی متشکل از یک لایهی فلزی درونی با چینش T [ n 90/فلز/ n 0] بهصورت نظری و تجربی مطالعه و با یکدیگر مقایسه شده است. در روش نظری با استفاده از اصل کمینهسازی انرژی پتانسیل کل و روش ریلی-ریتز معادلات غیرخطی استاتیکی بهدست آمده و حالتهای پایدار، انحناها، جابهجایی خارج از صفحهی ورق و نیروی لازم جهت پرش ناگهانی بین حالتهای پایدار مطالعه شده است. نتایج نشان می دهد که اضافه نمودن یک لایهی فلزی درونی به یک ورق مرکب دوپایا منجر به افزایش انحناهای اصلی و ظرفیت تحمل بار به ترتیب تا 2 و 5 برابر یک ورق مرکب دوپایای معمولی با ضخامت مشابه می شود. معادلات دیفرانسیل غیرخطی حاکم بر رفتار دینامیکی ورق نیز با استفاده از اصل هامیلتون استخراج شده و فرکانس طبیعی و پاسخ دینامیکی ورق تحت اثر تحریک پایه در نرمافزار متلب بهدست آمده است. به منظور اعتبارسنجی نتایج حاصل از روش نظری، چندین نمونه ورق مرکب دوپایای معمولی و هیبریدی متشکل از لایهی فلزی درونی ساخته و آزمایشهای عملی متعددی نیز برای اندازهگیری جابهجایی خارج از صفحه، انحنای اصلی، نیروی پرش ناگهانی، نسبت میرایی، فرکانس طبیعی اول و شکل مود متناظر با آن، پاسخ ارتعاشی و دامنهی تحریک بحرانی بر حسب فرکانس تحریک در ارتعاشات تحریک پایه انجام شده است. در بخش دیگری از رساله، چینش جدیدی از ورقهای مرکب دوپایای هیبریدی متشکل از نوارهای فلزی در لایهی میانی معرفی و اثر پارامترهای مختلف مانند خواص مکانیکی (ضریب انبساط گرمایی و مدول کشسانی)، عرض، ضخامت و تعداد نوارهای فلزی و همچنین طول ضلع و ضخامت کلی ورق بر انحناها، بیشینهی جابهجایی خارج از صفحه و نیروی استاتیکی لازم جهت پرش ناگهانی در نرمافزار اجزای محدود آباکوس مطالعه و با انجام آزمایشهای تجربی صحتسنجی شده است. نتایج نشان می دهد چینش معرفی شده در مقایسه با سایر سازههای دوپایا، انعطافپذیری بیشتری در طراحی دارند. ساخت چندین نمونهی ورق مرکب دوپایای هیبریدی متشکل از نوارهای فلزی در لایهی میانی از دیگر جنبههای نوآوری این رساله میباشد. واژگان کلیدی: ورق مرکب دوپایای هیبریدی، بارگذاری مکانیکی-گرمایی، رفتار ارتعاشی، رفتار استاتیکی، اصل هامیلتون، روش اجزای محدود.