Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad Reza Pishevar,Saeed ZeiaeiRad
احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد مشاور) سعید ضیائی راد (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ali Akhavan Safaei
علی اخوان صفائی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
Some important advantages of composite materials such as their high weight to strength ratio, was the cause of their prevalent use in many industrial cases in past decades. Bi-stable structures are special kinds of composite structures that their ability to maintain in their stable configurations without any source of energy has made them suitable for morphing structures. The principal application of this type of composite structures is in the morphing airfoils where they are subjected to the aerodynamic loading in various flow regimes. Since many researches on the static and dynamic behavior of such interesting structures were reported in the literature, having a comprehensive insight into their aeroelastic behavior is of crucial importance. Considerable amounts of researche were done that focused on the thermal, static and dynamic behavior of these special composite panels; subsequently, the main goal of the present study is to determine time response into arerodynamic loading and stability analysis of cross-ply and angle-ply bi-stable composite panels. Therefore, a specially-written MATLAB code based on the Rayleigh-Ritz technique is provided to compute statically stable states of [0/90] cross-plies. In this investigation the mechanical properties of the composite material was considered as functions of temperature. Moreover, the effects of large out-of-plane displacemnets were modeled considering nonlinear von-K?rm?n strain terms in estimation of in-plane strain fields. Afterwards, using the Rayleigh-Ritz model in conjunction with Hamilton principle and considering first order quasi-steady aerodynamic theory (linearized piston theory) as a simple and suitable model for aerodynamic loading in supersonic flow regime, time responses of the panel, FFT of them and their phase diagrams of were obtained. Then an aeroelastic Finite Element model were provided in ABAQUS (an FEM package) to evaluate the validity of the results obtained by Rayleigh-Ritz approach and calculate the aeroelastic time response and stability of angle-ply bi-stable laminated composite planels. In this FE model the panel was modeled as a shear deformable composite shell considering the effect of large out-of-plane displacements due to its nonlinear geometry. Considering the fact that ABAQUS dose not have the capability to apply a kind of loading that is dependent to time and spatial derivatives of out-of-plane translational DoF (linearized piston theory) as a typical loading, a DLOAD FORTRAN subroutine were provided to model the aerodynamic loading. The time response and stability analysis results have shown that depending on the dynamic pressure and the cured temperature of the panel, four major types of motion could happen. So, the motion could be dynamically stable at its thermally buckled configuration, aerodynamically buckled and dynamically stable, simple harmonic or non-harmonic but periodic limit cycle oscillations and chaotic motion. A comparison between Rayleigh-Ritz approach and FEM results for [0/90] cross-plies were made and acceptable agreement were demonstrated between them. Furthermore, the effects of aerodynamic damping parameter and fiber orientation on LCO’s maximum amplitude of some angle-pleis were evaluated. Keywords : Bi-stable laminated composite structures, Finite element method, Limit cycle oscillations, Linerized piston theory, Morphing airfoils, Rayleigh-Ritz technique, Supersonic flow regime
استفاده از مواد کامپوزیتی به علت برتری های فراوان از قبیل نسبت استحکام به وزن بالا یکی از مهم ترین علل پیشرفت صنایع گوناگون در چند دهه گذشته بوده است. پانل های دوپایداره کامپوزیتی دسته ای از سازه های کامپوزیتی هستند که به علت داشتن دو حالت کاملاً پایدار و نیاز نداشتن به هر گونه منبع دائم انرژی برای باقی ماندن در هرکدام از این حالت های پایدار،کاربردهای فراوانی ازجمله استفاده در سازه های مورفینگ دارند. از این رو درک جامع و صحیح از رفتار آیروالاستیک این سازه ها برای استفاده آنها در صنعت هوافضا، امری انکار ناپذیر است. تاکنون مطالعات زیادی در زمینه پاسخ حرارتی، استاتیکی و دینامیکی پانل های کامپوزیتی دو پایداره انجام گرفته است، به همین دلیل توجه این پژوهش به بررسی رفتار آیروالاستیک، مشخصات پایداری حرکت و پارامترهای تأثیرگذار بر رفتار آیروالاستیک پانل های کامپوزیتی دوپایداره با چینش های متفاوت متمرکز شده است. بدین منظور در ابتدا با در نظر گرفتن تئوری خطی شده پیستون، تخمینی برای بار فشاری آیرودینامیکی ناشی از جریان هوا بر پانل در رژیم فراصوت،به دست آمده است. سپس با تهیه مدل المان محدودی از پانل کامپوزیتی دوپایداره در نرم افزار ABAQUS و نوشتن زیربرنامه DLOAD در محیط برنامه نویسی فرترن برای پیاده سازی مدل بار آیرودینامیکی که تابعی از مشتقات مکانی و زمانی جابجایی خارج صفحه پانل می باشد، تحلیل های آیروالاستیک انجام گرفته اند. علاوه بر این، برای چینش [90/0] با تهیه برنامه ویژه ای در نرم افزار متلب با به کارگیری روش ریلی- ریتز و کمینه سازی انرژی پتانسیل کل، با در نظر گرفتن وابستگی دمایی خواص ماده کامپوزیتی، حالت کمانش یافته و سختی مربوط به سازه پانل به دست آورده شده است. در ادامه با استفاده از روش ریلی - ریتز به همراه اصل همیلتون و داشتن سختی به دست آمده، مدل آیروالاستیک پانل بر اساس توابع حدس میدان جابجایی چندجمله ای و فرض بار آیرودینامیکی ناشی از تئوری خطی شده پیستون به دست آمده است. این نتایج با نتایج شبیه سازی های المان محدود صورت گرفته در نرم افزار ABAQUS مقایسه شده و سازگاری مناسبی بین آن ها حاصل شده است. در این شبیه سازی ها پنج حالت عمده پاسخ زمانی پانل به بارگذاری آیرودینامیکی که شامل کمانش آیرودینامیکی(دیورژانس)، ارتعاشات سیکل حدی هارمونیک و پریودیک غیرهارمونیک (فلاتر در سازه با مدل غیرخطی) و ارتعاشات آشوبناک است، دیده شده و برای پانل با چینش [90/0] که آماده سازی آن در دودمای پخت متفاوت بررسی شده اند، به تفصیل مورد بحث قرارگرفته است. در ادامه، بر مبنای تحلیل های یاد شده نمودارهای محدوده پایداری آیروالاستیک بر اساس بار پسماند حرارتی درون- صفحه ای (دماهای مختلف پخت پانل) برای سه چینش [90/0]، [30/30-] و [60/60-] بدست آمده اند. هم چنین اثرات پارامترهایی چون استهلاک آیرودینامیکی وزاویه چینش لایه ها بر رفتار آیروالاستیک چند نمونه از پانل های دوپایداره مورد بررسی قرار گرفته اند . واژگان کلیدی: ورق های دوپایداره، تئوری خطی شده پیستون، رفتار آیروالاستیک، اصل همیلتون، روش ریلی- ریتز، روش المان محدود،کمانش آیرودینامیکی، ارتعاشات سیکل حدی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی