مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

فلاتر پوسته استوانه‌ای تحت جریان فراصوت خارجی و با درنظرگرفتن اثرات سیال داخلی طبق یک فرمول‌بندی نوین

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
پوریا ظریفیان 1
حمیدرضا اویسی 1
روح‌اله دهقانی فیروزآبادی 2
1 گروه سازه‌های هوافضایی، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
2 گروه سازه‌های هوافضایی، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
چکیده
در مقاله حاضر، فلاتر پوسته‌ استوانه‌ای در معرض جریان هوای فراصوت خارجی و حاوی سیال داخلی مورد بررسی قرار گرفته ‌است. لازم به ذکر است که در مدل ساده و جدید ارایه‌شده برای سیال داخلی تنها از درجات آزادی سطح آزاد سیال و درجات آزادی سازه احاطه‌کننده آن استفاده شده ‌‌است. در این راستا مدل اندرکنش سازه- سیال محاسباتی در چارچوب روش اجزای محدود توسعه داده شده ‌است. تلاطم سیال داخلی از طریق یک مدل دقیق و سطح بالا شناخته شده به‌عنوان مدل تلاطم سیال، نمایش داده شده‌‌ است. سازه‌ پوسته استوانه‌ای به‌وسیله تئوری پوسته ساندرز مدل‌سازی شده و بارگذاری فشار آیرودینامیک با تئوری پیستون مرتبه اول تقریب زده شده ‌‌است. همچنین سختی هندسی اولیه ناشی از پیش‌تنش‌ها در وضعیت اولیه منتج‌شده از فشار هیدرواستاتیک سیال، فشار جانبی و بار فشاری محوری در نظر گرفته شده‌ است. صحت و درستی فرمول‌بندی استخراج‌‌شده با استفاده از چند مثال اعتبارسنجی اثبات شده‌ است. نتایج نشان دادند هنگامی‌که نسبت پرشدگی از صفر تا 1 تغییر می‌کند، سرعت فلاتر ابتدا با افزایش نسبت پرشدگی افزایش می‌یابد و در نسبت پرشدگی حدود 5/0 به بیشینه مقدار خود می‌رسد و پس از آن با افزایش بیشتر نسبت پرشدگی شروع به کاهش می‌کند و در نسبت پرشدگی حدود 1 سرعت فلاتر به مقدار بحرانی پوسته خالی می‌رسد.
کلیدواژه‌ها
فلاتر فراصوت
سیستم اندرکنش سازه- سیال
پوسته استوانه‌ای حاوی سیال
روش اجزای محدود

موضوعات

عنوان مقاله English

Flutter of a Circular Cylindrical Shell Subjected to Supersonic External Flow by Considering Internal Fluid Effects through a Novel Formulation

نویسندگان English

P. Zarifian 1
H.R. Ovesy 1
R. Dehghani Firouzabadi 2
1 Aerospace structures Department, Aerospace Engineering Faculty, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
2 Aerospace structures Department, Aerospace Engineering Faculty, Sharif university of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

In the current paper, the flutter of a circular cylindrical shell containing an internal fluid while subjected to supersonic external flow has been investigated. It is noted that the internal fluid is formulated through a simple and novel model, in which the fluid is only represented by the free surface as well as the surrounding structural degrees of freedoms. To this end, a computational Fluid-structure interaction (FSI) model within the framework of the finite element method is developed. The internal liquid is represented by a more sophisticated model, referred to as and the shell structure is modeled by Sanders’ shell theory. The aerodynamic pressure loading is approximated by the first-order piston theory. The initial geometric stiffness due to pre-stresses in the initial configuration stemming from the fluid hydrostatic pressure, internal pressure, and axial compression load is also considered. The validity of the derived formulation is established, using some verification examples. The obtained results reveal as the filling ratio is increased from 0 to 1, the flutter speed increases first as the filling ratio is increased and reaches the maximum value the 0.5 filling ratio; then, it decreases when the filling ratio is further increased and reaches the critical value of an empty shell the 1.0 filling ratio.

کلیدواژه‌ها English

Supersonic Flutter
Fluid-Structure Interaction
Circular Cylindrical Shell
finite element method
Chiba M, Yamaki N, Tani J. Free vibration of a clamped-free circular cylindrical shell partially filled with liquid-Part II: Numerical results. Thin Walled Structures. 1984;2(4):307-324. [Link] [DOI:10.1016/0263-8231(84)90002-8]
González JA, Park KC, Lee I, Felippa CA, Ohayon R. Partitioned vibration analysis of internal fluid-structure interaction problems. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2012;92(3):268-300. [Link] [DOI:10.1002/nme.4336]
Schotté JS, Ohayon R. Incompressible hydroelastic vibrations: Finite element modelling of the elastogravity operator. Computers and Structures. 2005;83(2-3):209-219. [Link] [DOI:10.1016/j.compstruc.2004.03.084]
Chiba M, Yamaki N, Tani J. Free vibration of a clamped-free circular cylindrical shell partially filled with liquid-Part I: Theoretical analysis. Thin Walled Structures. 1984;2(3):265-284. [Link] [DOI:10.1016/0263-8231(84)90022-3]
Chiba M, Yamaki N, Tani J. Free vibration of a clamped-free circular cylindrical shell partially filled with liquid-part III: Experimental results. Thin Walled Structures. 1985;3(1):1-14. [Link] [DOI:10.1016/0263-8231(85)90016-3]
Amabili M, Paidoussis MP, Lakis AA. Vibrations of partially filled cylindrical tanks with ring-stiffeners and flexible bottom. Journal of Sound and Vibration. 1998;213(2):259-299. [Link] [DOI:10.1006/jsvi.1997.1481]
Dowell EH. Aeroelasticity of plates and shells. Leiden: Noordhoff International Publishing; 1975. [Link]
Fung YC, Olson MD. Supersonic flutter of circular cylindrical shells subjected to internal pressure and axial compression. AIAA Journal. 1966;4(5):858-864. [Link] [DOI:10.2514/3.3558]
Morand HJP, Ohayon R. Fluid-structure interaction: Applied numerical methods. Hoboken: Wiley; 1995. [Link]
Schotté JS, Ohayon R. Various modelling levels to represent internal liquid behaviour in the vibration analysis of complex structures. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2009;198(21-26):1913-1925. [Link] [DOI:10.1016/j.cma.2008.12.016]
Firouz-Abadi RD, Zarifian P, Haddadpour H. Effect of fuel sloshing in the external tank on the flutter of subsonic wings. Journal of Aerospace Engineering. 2014;27(5):04014021. [Link] [DOI:10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000261]
Farhat C, Chiu EK, Amsallem D, Schotté JS, Ohayon R. Modeling of fuel sloshing and its physical effects on flutter. AIAA journal. 2013;51(9):2252-2265. [Link] [DOI:10.2514/1.J052299]
Noorian MA, Haddadpour H, Firouz-Abadi RD. Investigation of panel flutter under the effect of liquid sloshing. Journal of Aerospace Engineering. 2015;28(2):04014059. [Link] [DOI:10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000384]
Hall J, Rendall TCS, Allen CB, Peel H. A multi-physics computational model of fuel sloshing effects on aeroelastic behaviour. Journal of Fluids and Structures. 2015;56:11-32. [Link] [DOI:10.1016/j.jfluidstructs.2015.04.003]
Sabri F, Lakis AA. Effects of sloshing on flutter prediction of liquid-filled circular cylindrical shell. Journal of Aircraft. 2011;48(6):1829-1839. [Link] [DOI:10.2514/1.C031071]
Zarifian P, Ovesy HR, Firouz-Abadi RD. Sloshing effects on supersonic flutter characteristics of a circular cylindrical shell partially filled with liquid. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2019;117(8):901-925. [Link] [DOI:10.1002/nme.5984]
Chiba M. Non-linear hydroelastic vibration of a cantilever cylindrical tank-II. Experiment (liquid-filled case). International Journal of Non Linear Mechanics. 1993;28(5):601-612.
https://doi.org/10.1016/0020-7462(93)90050-U [Link] [DOI:10.1016/0020-7462(93)90051-L]
Paak M, Paidoussis MP, Misra AK. Nonlinear vibrations of cantilevered circular cylindrical shells in contact with quiescent fluid. Journal of Fluids and Structures. 2014;49:283-302. [Link] [DOI:10.1016/j.jfluidstructs.2014.04.017]
Chiba M. Non-linear hydroelastic vibration of a cantilever cylindrical tank-I. Experiment (empty case). International Journal of Non Linear Mechanics. 1993;28(5):591-599.
https://doi.org/10.1016/0020-7462(93)90051-L [Link] [DOI:10.1016/0020-7462(93)90050-U]
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 19، شماره 6
خرداد 1398
صفحه 1355-1362