توصيفگر ها :
ارتعاشات آزاد , پوسته استوانهاي , مواد مدرج تابعي متخلخل , ضخامت متغير , تعامل سيال و سازه , روش ريلي-ريتز , آناليز مودال تجربي
چكيده فارسي :
پوستههاي استوانهاي به دليل كارايي سازهاي بالا، در طيف وسيعي از كاربردهاي مهندسي از جمله صنايع هوافضا، دريايي و انرژي، نقشي حياتي ايفا ميكنند. در همين راستا، نياز روزافزون به سازههايي با عملكرد بهينه، وزن كمتر و مقاومت بالا در برابر شرايط پيچيده عملياتي، منجر به توسعه مواد پيشرفته و طراحيهاي نوين شده است. در اين ميان، مواد مدرج تابعي متخلخل به دليل قابليت تنظيم خواص مكانيكي و كاهش وزن و همچنين هندسههاي با ضخامت متغير براي بهينهسازي توزيع تنش، پتانسيل بالايي از خود نشان دادهاند. با اين حال، تحليل دقيق رفتار ديناميكي اين سازههاي پيچيده، بهويژه هنگامي كه در تماس با سيال قرار ميگيرند و پديده تعامل سيال و سازه مطرح ميشود، يك چالش علمي و مهندسي قابل توجه باقي مانده است. بررسي ادبيات موضوع، وجود يك خلأ تحقيقاتي مشخص در تحليل ارتعاشات آزاد پوستههايي با اين ويژگيهاي همزمان را تاييد ميكند. در اين پژوهش، يك چهارچوب جامع براي تحليل ارتعاشات آزاد پوستههاي استوانهاي ساخته شده از مواد مدرج تابعي متخلخل با ضخامت متغير كه در تماس با سيال قرار دارند، ارائه شده است. مدل رياضي سيستم بر مبناي تئوري تغيير شكل برشي مرتبه اول براي توصيف ميدان جابجايي پوسته و نظريه جريان پتانسيل براي مدلسازي سيال ايدهآل (غيرلزج، تراكمناپذير و غيرچرخشي) استوار است. اثر تعامل سيال به صورت جرم افزوده هيدروديناميكي در انرژي جنبشي كل سيستم لحاظ گرديده و معادلات حركت سيستم جفتشده با استفاده از يك روش حل بر مبناي روش ريلي-ريتز به يك مسئله استاندارد مقدار ويژه جبري تبديل شده است. فركانسهاي طبيعي و شكل مودهاي ارتعاشي از حل اين مسئله استخراج شدهاند. به منظور اعتبارسنجي مدل، ابتدا همگرايي آن ارزيابي ميشود و سپس نتايج آن با دادههاي موجود در ادبيات موضوع، دادههاي بهدستآمده از تحليل اجزاء محدود و همچنين نتايج آزمايش مودال كه بر روي نمونههاي همسانگرد با ضخامت ثابت و پلهاي با و بدون سيال انجام شده، مقايسه گرديده است. نتايج نشان ميدهد كه حضور سيال داخلي به دليل اثر جرم افزوده، فركانسهاي طبيعي سيستم را به طور محسوس كاهش ميدهد؛ اثري كه با افزايش عمق سيال تشديد ميشود. مشخص گرديد كه مشخصههاي مواد مدرج تابعي متخلخل، شرايط مرزي، پارامترهاي هندسي و الگوهاي تغيير ضخامت (پيوسته و پلهاي) تأثير قابل توجهي بر رفتار ارتعاشي دارند. به طور خاص، مشاهده ميشود كه تغييرات ضخامت و حضور سيال، باعث توزيع نامتقارن دامنه ارتعاش در سازه ميگردند. نتايج حاصل از روش حل پيشنهادي، با نشان دادن توافق بسيار خوب با دادههاي موجود در ادبيات موضوع، نتايج عددي و دادههاي تجربي، اعتبار و قابليت اطمينان چهارچوب ارائه شده را تأييد ميكند. بر همين اساس، مدل توسعهيافته در اين پژوهش ميتواند به عنوان يك ابزار كارآمد براي تحليل و طراحي بهينه سازههاي استوانهاي پيشرفته در كاربردهاي صنعتي مختلف مورد استفاده قرار گيرد.
چكيده انگليسي :
Cylindrical shells, due to their high structural efficiency, play a vital role in a wide range of engineering applications, including the aerospace, marine, and energy industries. In this context, the ever-increasing demand for structures with optimized performance, lower weight, and high resistance to complex operating conditions has led to the development of advanced materials and novel designs. Among these, functionally graded porous materials (FGPM) have shown high potential due to their ability to tailor mechanical properties and reduce weight, as have variable-thickness geometries for optimizing stress distribution. However, the accurate dynamic analysis of these complex structures, especially when they are in contact with a fluid and the phenomenon of fluid-structure interaction (FSI) arises, remains a significant scientific and engineering challenge. A review of the literature confirms a distinct research gap in the free vibration analysis of shells with these simultaneous features. In this research, a comprehensive framework for the analysis of the free vibrations of cylindrical shells made of FGPM with variable thickness in contact with a fluid is presented. The mathematical model of the system is based on the First-order Shear Deformation Theory (FSDT) to describe the shellʹs displacement field, and the potential flow theory to model the ideal fluid (inviscid, incompressible, and irrotational). The effect of fluid interaction is incorporated as a hydrodynamic added mass in the total kinetic energy of the coupled system, and the equations of motion of the coupled system are transformed into a standard algebraic eigenvalue problem using a solution method based on the Rayleigh-Ritz method. The natural frequencies and vibrational mode shapes are extracted from the solution of this problem. For model validation, its convergence was first evaluated, and then its results were compared with data available in the literature, data obtained from the Finite Element Method (FEM), as well as the results of Experimental Modal Analysis (EMA) performed on isotropic samples with constant and stepped thickness, both with and without fluid. The results show that the presence of the internal fluid, due to the added mass effect, noticeably reduces the systemʹs natural frequencies—an effect that is intensified with increasing fluid depth. It was determined that the characteristics of the FGPM, boundary conditions, geometric parameters, and thickness variation patterns (continuous and stepped) have a significant influence on the vibrational behavior. Specifically, it is observed that thickness variations and the presence of the fluid cause an asymmetric distribution of the vibration amplitude in the structure. The results from the proposed solution method, by showing excellent agreement with data available in the literature, numerical results, and experimental data, confirm the validity and reliability of the presented framework. Accordingly, the model developed in this research can be used as an efficient tool for the analysis and optimal design of advanced cylindrical structures in various industrial applications.