مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

طراحی بهینه‌ی پوسته‌ی استوانه‌ای هدفمند با لایه‌ی پیزوالکتریک تحت بار متحرک

نویسندگان
1 هیئت علمی، دانشگاه تبریز
2 دانشگاه تبریز
چکیده
در این پژوهش به ارائه‌ی روشی برای تعیین توزیع بهینه‌ی درصد حجمی مواد در یک پوسته‌ی استوانه‌ای هدفمند با لایه‌ی پیزوالکتریک خارجی با هدف تنیده کردن سازه پرداخته شده است. بدین‌منظور، با ترکیب تئوری مرتبه اول برشی و معادله‌ی ماکسول با اصل همیلتون، معادلات حاکم استخراج شده و با استفاده از روابط کرنش-جابه‌جایی و تنش-کرنش، توزیع تنش دینامیک در پوسته به‌دست آمده است. تحلیل دینامیکی به‌علت وجود بار متحرک ضروری است چراکه جابه‌جایی‌ها، کرنش‌ها و تنش‌های دینامیک در مقایسه با مقادیر استاتیک قابل توجه‌اند. اثرات دینامیکی ناشی از حرکت بار در افزایش تنش‌ها، از طریق حل وابسته به زمان مسئله درنظر گرفته شده است و لذا پاسخ سازه و در نهایت توزیع تنش به‌صورت تابع زمان به‌دست آمده‌اند. در ادامه روشی برای بهینه‌سازی تدوین شده است که در آن به‌جای استفاده از توابع پیش‌فرض برای درصد حجمی مواد که محدودیت‌هایی از نظر تولید و نیز بررسی رفتار مکانیکی و بهینه‌سازی آنها اعمال می‌کنند، از تعدادی نقاط کنترلی در راستای ضخامت پوسته استفاده شده که درصد حجمی مواد در این نقاط به عنوان متغیر معرفی شده‌اند که در بین آنها با استفاده از روش میان‌یابی با توابع هرمیت درصد حجمی مواد پیش‌بینی شده است. برای انجام بهینه‌سازی، مقدار درصد حجمی مواد در این نقاط و همچنین ضخامت لایه‌ی هدفمند به عنوان متغیرهای بهینه‌سازی معرفی شده‌اند. بهینه‌سازی با استفاده از الگوریتم ژنتیکی انجام گرفته است. نتایج بهینه‌سازی کارایی روش پیشنهادی را نشان می‌دهد. مزیت عمده‌ی این روش انعطاف‌پذیری آن در تعیین توزیع درصد حجمی مواد هدفمند در دیواره‌ی سازه است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Optimum design of functionally graded cylindrical shell with piezoelectric layer under moving load

نویسندگان English

Farid Vakil-Tahami 1
Reza Hassan Nejhad 2
Arash Mohammad Alizadeh Fard 2
Morteza Raminnia 2
1 Associate professor, University of Tabriz
2 University of Tabriz
چکیده English

In this paper a method has been developed to obtain an optimum material distribution for a cylindrical shell with Functionally Graded (FG) material and additional piezoelectric outer layer. The objective of the optimization is to satisfy full stress loading criterion. For this purpose; firstly, a solution method has been outlined in which, the governing equations are developrd by combining First order Shear Deformation Theory (FSDT) and Maxwell equations, with the use of Hamilton principle. Dynamic analysis is a major concern in this solution method because of the significant dynamic displacements, strains and stresses due to the effect of moving load. Hence, the time dependent transient responses of the structure and stress distribution have been obtained. At the next stage, a methodology has been introduced to obtain the optimum material distribution. In this method, instead of using pre-assumed material distribution functions which impose limitations to the manufacturing of the shell and also to the optimization solution, control points with Hermite functions are used. The thickness of the shell and volume fraction of the FG material at these points have been regarded as optimization variables. The optimization method is based on the genetic algorithm and to reduce the solution time, calculations are carried out using parallel processing in four cores. The results show that the developed method is capable of analyzing the FG structures and provide optimum solution. The major advantage of this method is its flexibility in providing volume fraction distribution of the material.

کلیدواژه‌ها English

Cylindrical shell
Functionally Graded Materials
Moving Load
Optimization
Control Point Method