مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بهینه‌سازی چندفیزیکی تیرهای سیاه‌چاله صوتی دوار با در نظر گرفتن کوپلینگ ویسکوالاستیک-حرارتی و یکپارچگی سازه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران
2 پارک علم و فناوری، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران
10.48311/mme.2026.119521.82985
چکیده
در این پژوهش، یک مدل دینامیکی چندفیزیکی بر پایه روش ریلی-ریتز برای تحلیل ارتعاشات آزاد و اجباری تیر دورانی مجهز به سیاهچاله آکوستیکی (ABH) و لایه ویسکوالاستیک محدودکننده ارائه شده است. در مدل پیشنهادی، رفتار حرارتی-ارتعاشی سیستم بر اساس نرخ تلفات انرژی مکانیکی و محاسبه دمای مؤثر عملیاتی به‌صورت کوپل‌شده لحاظ شده است. اثرات هم‌زمان سخت‌شوندگی گریز از مرکز (Centrifugal Stiffening) و نرم‌شوندگی چرخشی (Spin Softening) در تدوین معادلات حرکت منضم گردیده‌اند. اعتبارسنجی مدل عددی از طریق مقایسه فرکانس‌های طبیعی و پاسخ‌های فرکانسی با الگوی المان محدود (آباکوس) نشان‌دهنده دقت بالای روش با حداکثر خطای نسبی ۰.۳۶۹٪ در مودهای خمشی خارج صفحه است. تحلیل حساسیت پارامتری و بهینه‌سازی تابع هدف با الگوریتم ژنتیک نشان می‌دهد که توان پروفیل ABH در محدوده بهینه m≈3.24بیشترین چگالی انرژی و تمرکز موج را ایجاد می‌کند. بررسی رفتارهای حرارتی نشان می‌دهد که اگرچه سازه در تمامی سرعت‌های دورانی از نظر حرارتی و دینامیکی پایدار باقی می‌ماند، اما کارایی بهینه میرایی صرفاً در یک پنجره حرارتی-عملیاتی مشخص حاصل می‌شود. همچنین با اعمال قید تنش مجاز استاتیکی و دینامیکی، ریسک تمرکز تنش در نوک نازک ABH به حداقل رسیده است. نتایج این تحقیق، یک مدل محاسباتی اولیه و سریع را برای پیش‌بینی رفتار کلی ترمومکانیکی تیرهای دوار مجهز به ABH ارائه می‌دهد که می‌تواند به عنوان ابزاری کارآمد برای ارزیابی‌های اولیه هندسی در فاز طراحی مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Multiphysics Optimization of Rotating Acoustic Black Hole Beams Considering Viscoelastic–Thermal Coupling and Structural Integrity

نویسندگان English

Reza Fazaeli 1
Aliakbar Akbari 1
Mohammad Sheibani 2
1 Mechanical Engineering Department, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
2 Science and Technology Park, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
چکیده English

This study presents a multiphysics dynamic model based on the Rayleigh-Ritz method for analyzing the free and forced vibrations of a rotating beam integrated with an Acoustic Black Hole (ABH) and a constrained viscoelastic layer. The thermally-coupled vibrational behavior is formulated by coupling the dissipation of mechanical energy with the evaluation of an effective operating temperature. The simultaneous effects of centrifugal stiffening and spin softening are incorporated into the equations of motion. Validation against finite element analysis (Abaqus) demonstrates high accuracy, with a maximum relative error of 0.369% for out-of-plane bending modes. Parametric sensitivity analysis and multi-objective optimization via Genetic Algorithm reveal that an ABH power profile exponent of m≈3.24yields optimal energy concentration and wave focalization. Thermal-vibrational analyses indicate that while the structure maintains overall thermal and dynamic stability across the evaluated speed range, peak damping performance is confined to a specific operational-thermal window. Furthermore, by implementing an allowable stress constraint, the risk of stress concentration at the thin ABH wedge is effectively mitigated within the model boundaries. The findings offer a computationally efficient preliminary model to predict the coupled thermo-mechanical behavior of rotating ABH beams, serving as a useful tool for initial screening in the early design stages under the defined theoretical assumptions.

کلیدواژه‌ها English

Acoustic Black Hole (ABH)
Rotating Beam
WLF Viscoelastic Model
Ritz Method
Stress-Constrained Optimization
Structural Vibrations
[1]          A. Pelat, F. Gautier, S. C. Conlon, and F. Semperlotti, “The acoustic black hole: A review of theory and applications,” J. Sound Vib., vol. 476, p. 115316, Jun. 2020, doi: 10.1016/j.jsv.2020.115316.
[2]          V. V. Krylov and F. J. B. S. Tilman, “Acoustic ‘black holes’ for flexural waves as effective vibration dampers,” J. Sound Vib., vol. 274, no. 3, pp. 605–619, Jul. 2004, doi: 10.1016/j.jsv.2003.05.010.
[3]          X. Du, W. Li, F. Hao, and Q. Fu, “Multi-Objective Optimization of Acoustic Black Hole Plate Attached to Electric Automotive Steering Machine for Maximizing Vibration Attenuation Performance,” Machines, vol. 13, no. 8, p. 647, Jul. 2025, doi: 10.3390/machines13080647.
[4]          C. A. McCormick and M. R. Shepherd, “Optimization of an acoustic black hole vibration absorber at the end of a cantilever beam,” J. Acoust. Soc. Am., vol. 145, no. 6, pp. EL593–EL597, Jun. 2019, doi: 10.1121/1.5113960.
[5]          H. Wen, Y. Sheng, J. Guo, and L. Ye, “Vibration characteristics of laminated composite plate with embedded acoustic black holes,” Mech. Adv. Mater. Struct., vol. 33, no. 1, p. 2489143, Dec. 2026, doi: 10.1080/15376494.2025.2489143.
[6]          Z. Xiong and L. Zhao, “Broadband sound absorption using porous structures with embedded acoustic black holes,” MechanoEngineering, vol. 1, no. 2, p. 024702, Jun. 2026, doi: 10.1063/5.0326736.
[7]          J. Wang, W. Huang, H. Ji, and J. Qiu, “Multi-Objective Collaborative Optimization of Stiffness and Damping Performance of Acoustic Black Hole Plate,” Int. J. Acoust. Vib., vol. 29, no. 1, pp. 39–47, Mar. 2024, doi: 10.20855/ijav.2024.29.12007.
[8]          Y. Wang, W. Ni, W. Guo, M. Wang, M. Li, and G. Wang, “Free and forced vibration analysis of rotating beams with an acoustic black hole,” Mech. Res. Commun., vol. 154, p. 104684, Jun. 2026, doi: 10.1016/j.mechrescom.2026.104684.
[9]          Y. Wang, L. Cheng, J. Du, and Y. Liu, “Acoustic Black Holes in a Spinning Beam,” J. Vib. Acoust., pp. 1–27, Jan. 2023, doi: 10.1115/1.4056791.
[10]        A. Keys and J. Cheer, “A parametric study of dynamic stress in acoustic black holes,” INTER-NOISE NOISE-CON Congr. Conf. Proc., vol. 270, no. 3, pp. 8410–8421, Oct. 2024, doi: 10.3397/IN_2024_4090.
[11]        T. Durand-Texte, A. Pelat, G. Penelet, F. Gautier, and M. Sécail-Géraud, “Thermal imaging of the structural damping induced by an acoustic black hole,” J. Appl. Phys., vol. 127, no. 2, p. 025102, Jan. 2020, doi: 10.1063/1.5128089.
[12]        M. L. Williams, R. F. Landel, and J. D. Ferry, “The Temperature Dependence of Relaxation Mechanisms in Amorphous Polymers and Other Glass-forming Liquids,” J. Am. Chem. Soc., vol. 77, no. 14, pp. 3701–3707, Jul. 1955, doi: 10.1021/ja01619a008.
[13]        J. D. Ferry, Viscoelastic Properties of Polymers. John Wiley & Sons, 1980.
[14]        H. Sheng, M.-X. He, and Q. Ding, “Vibration control and multifunctional design based the acoustic black hole structure: a state-of-the-art review,” Int. J. Dyn. Control, vol. 13, no. 1, p. 25, Jan. 2025, doi: 10.1007/s40435-024-01542-0.
[15]        L. Tang, L. Cheng, H. Ji, and J. Qiu, “Characterization of acoustic black hole effect using a one-dimensional fully-coupled and wavelet-decomposed semi-analytical model,” J. Sound Vib., vol. 374, pp. 172–184, Jul. 2016, doi: 10.1016/j.jsv.2016.03.031.
[16]        Y. Wang, J. Du, and L. Cheng, “Power flow and structural intensity analyses of Acoustic Black Hole beams,” Mech. Syst. Signal Process., vol. 131, pp. 538–553, Sep. 2019, doi: 10.1016/j.ymssp.2019.06.004.
[17]        R. G. Budynas, K. J. Nisbett, J. K. Nisbett, and J. E. Shigley, Shigley’s mechanical engineering design,