دانشگاه آزاد اسلامی
واحد خمینی شهر
دانشکده مکانیک
پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد M.Sc
گرایش مهندسی مکانیک- طراحی کاربردی
تحلیل ارتعاشات پوسته استوانه‌ای از جنس FGM تحت میدان حرارتی یا تحت بار محوری
استاد راهنما:
دکتر مصطفی غیور
استاد مشاور:
دكتر فاطمه فرهت‌نیا
زمستان1393
برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه……………………………………………………………………………………….…. 1
1-2 تاریخچه کارهای انجام شده 3
1-3 ارتباط موضوع تحقیق با کارهای قبلی 6
فصل دوم: مواد با خواص درجه‌بندی شده 8
2-1 معرفی مواد با خواص درجه‌بندی‌شده 9
2-2 کاربردهای مواد با خواص درجه‌بندی شده 11
2-3 روش‌های ساخت مواد با خواص درجه‌بندی شده 12
2-4 مدل‌های ریاضی و روابط حاکم 14
فصل سوم: فرمول‌بندی و استخراج روابط در ارتعاشات پوسته استوانه‌ای FGM. 8
3-2 معادلات لازم برای حل کلی (خطی و غیر‌خطی) 20
3-3 معادلات حاكم با فرض خطی بودن جابه‌جایی‌ها 21
3-3-1 مؤلفه‌های كرنش-جابه‌جا‌یی 21
3-4 معادلات حرکت با فرض خطی بودن جابه‌جایی‌ها 24
3-4-1 معادلات حرکت برای سازه دو انحنایی (حالت كلی) 24
3-4-2 معادلات حرکت برای سازه استوانه‌ای (استخراج شده از حالت كلی) 25
3-4-3 به‌دست آوردن معادلات حرکت برای پوسته استوانه‌ای FGM (بر حسب جابه‌جایی‌ها) 26
3-4-4 به‌دست آوردن معادلات حرکت برای پوسته استوانه‌ای FGM (بر حسب منتجه‌های تنش و گشتاور) 28
3-5 معادلات حاكم با فرض غیر‌خطی بودن جابه‌جایی‌ها 29
3-5-1 مؤلفه‌های كرنش بر حسب جابه‌جایی‌های كلی 29
3-5-2 مؤلفه‌های تنش بر حسب جابه‌جایی‌های صفحه میانی 32
3-6 معادلات حرکت با فرض غیر‌خطی بودن جابه‌جایی‌ها 33
3-6-1 به‌دست آوردن معادلات حرکت برای پوسته استوانه‌ای FGM (بر حسب جابه‌جایی‌ها) 33
3-6-3 مقایسه معادلات حركت غیر‌خطی با حالت خطی 37
فصل چهارم: تحلیل مسئله به كمك نرم‌افزار آباكوس 18
4-1 نرم‌افزار ABAQUS چیست و چه کاربردی دارد؟ 39
4-5 تنش، جابه‌جا‌یی و فركانس با تغییر در قیود 46
4-5-1 دو تكیه‌گاه ساده در دو طرف كوره 46
4-5-2 سه تكیه‌گاه ساده در دو طرف كوره و وسط كوره 49
4-5-3 دو تكیه‌گاه رینگی در دو طرف 52
4-5-4 جداول فركانس‌ها و ماكزیمم تنش و ماكزیمم جابه‌جا‌یی با توجه به تغییر تكیه‌گاه 55
4-5-5 نمودار‌های فركانس و تنش و جابه‌جا‌یی با توجه به تغییر تكیه‌گاه 56
4-6 تنش، جابه‌جا‌یی و فركانس با تغییر جرم ماده مذاب داخل كوره 58
4-6-1 وزن ماده مذاب داخل كوره 240 تن می‌باشد 58
4-6-2 جرم ماده مذاب داخل كوره 260 تن می‌باشد 59
4-6-3 جرم ماده مذاب داخل كوره 280 تن می‌باشد 61
4-6-4 جرم مذاب داخل كوره 300 تن می‌باشد 62
4-6-5 جداول فركانس‌ها و تنش‌های ماكزیمم و جابه‌جایی‌های ماكزیمم با توجه به تغییر جرم 63
4-6-6 نمودار‌های فركانس و تنش و جابه‌جا‌یی با توجه به تغییر جرم 64
4-7 بررسی تنش، جابه‌جا‌یی و فركانس با تغییرات دما 66
4-7-1 دمای داخل كوره 1200 درجه سانتیگراد 66
4-7-2 دمای داخل كوره 14700 درجه سانتیگراد 67
4-7-3 دمای داخل كوره 1600 درجه سانتیگراد 68
4-7-4 جداول فركانس‌ها و تنش‌های ماكزیمم و جابه‌جایی‌های ماكزیمم با توجه به تغییر دما 69
4-7-5 نمودار‌های فركانس و تنش و جابه‌جا‌یی با توجه به تغییر دما 70
فصل پنجم: نتیجه‌گیری و پیشنهادات 39
فهرست شكل‌ها
عنوان صفحه
شکل1-1) بررسی اثر تغییرات دما بر فرکانس طبیعی 5
شكل 2-1) سمت راست ماده مرکب با خواص درجه‌بندی شده و سمت چپ ماده مرکب معمولی 11
شكل 3-2 هندسه سازه دو انحنایی 24
شكل 3-3) هندسه سازه استوانه‌ای 25
شکل 4‑1) مشخصات كوره‌های كنورتر 42
شكل 4-2) تغییرات متریال در طول ضخامت 44
شكل 4-3) تغییرات فركانس بر حسب اندازه مش (متر) 45
شکل 4-4) شكل‌مد اول در حالت دو تكیه‌گاه ساده 46
شکل 4‑5) شكل‌مد دوم در حالت دو تكیه‌گاه ساده 47
شکل 4‑6) شكل‌مد سوم در حالت دو تكیه‌گاه ساده 47
شکل 4‑7) مقدار تنش‌ها (بر حسب MPa) در حالت دو تكیه‌گاه ساده (نما از كنار كوره) 48
شکل 4‑8) مقدار جابه‌جا‌یی (بر حسب mm ) در حالت دو تكیه‌گاه ساده 49
شکل 4‑9) شكل‌مداول در حالت سه تكیه‌گاه ساده 50
شکل 4‑10) شكل‌مددوم در حالت سه تكیه‌گاه ساده 50
شکل 4‑11) شكل‌مدسوم در حالت سه تكیه‌گاه ساده 51
شکل 4‑12) مقدار تنش (بر حسب MPa) در حالت سه تكیه‌گاه ساده (نما از كنار كوره) 51
شکل 4‑13) مقدار جابه‌جا‌یی (بر حسب mm) در حالت سه تكیه‌گاه ساده 52
شکل 4‑14) شكل‌مداول در حالت دو تكیه‌گاه رینگی 53
شکل 4‑15) شكل‌مددوم در حالت دو تكیه‌گاه رینگی 53
شکل 4‑16) شكل‌مدسوم در حالت دو تكیه‌گاه رینگی 54
شکل 4‑17) مقدار تنش (بر حسب MPa) در حالت دو تكیه‌گاه رینگی 54
شکل 4‑18) مقدار جابه‌جا‌یی (بر حسب mm) در حالت دو تكیه‌گاه رینگی 55
شكل 4‑19) تغییرات فركانس با افزایش تكیه‌گاه 56
شكل 4‑20) تغییرات تنش با افزایش تكیه‌گاه 57
شكل 4‑21) تغییرات جابه‌جا‌یی با افزایش تكیه‌گاه 57
شکل 4‑22) مقدار تنش (بر حسب MPa) با دو تكیه‌گاه ساده و میزان جرم ماده مذاب 240 تن 58
شکل 4‑23) مقدار جابه‌جا‌یی (بر حسب mm) با دو تكیه‌گاه ساده و میزان جرم ماده مذاب 240 تن 59
شکل 4‑24) مقدار تنش (بر حسب MPa) با دو تكیه‌گاه ساده و میزان جرم ماده مذاب 260 تن 60
شکل 4‑25) مقدار جابه‌جا‌یی (بر حسب mm) با دو تكیه‌گاه ساده و میزان جرم ماده مذاب 260 تن 60
شکل 4‑26) مقدار تنش (بر حسب MPa) با دو تكیه‌گاه ساده و میزان جرم ماده مذاب 280 تن 61
شکل 4‑27) مقدار جابه‌جا‌یی (بر حسب mm) با دو تكیه‌گاه ساده و میزان جرم ماده مذاب 280 تن 61
شکل 4‑29) مقدار جابه‌جا‌یی (بر حسب mm) با دو تكیه‌گاه ساده و میزان جرم ماده مذاب 300 تن 63
شكل 4‑30) تغییرات فركانس بر حسب تغییرات جرم 64
شكل 4‑31) تغییرات تنش بر حسب تغییرات جرم 65
شكل 4‑32) تغییرات جابه‌جا‌یی بر حسب تغییرات جرم 65
شكل 4‑39) تغییرات فركانس با توجه به افزایش دما 70
شكل 4‑40( تغییرات تنش با توجه به افزایش دما 71
شكل 4‑41) تغییرات جابه‌جا‌یی با توجه به افزایش دما 71
چکیده
با پیدایش مواد كامپوزیتی پیشرفت عظیمی در بسیاری از كاربرد‌های مهندسی حاصل شد. با این وجود، مشكلاتی نظیر لایه لایه شدن، تمركز تنش و توزیع نا‌پیوسته تنش، فكر ساختن نوع جدیدی از مواد مركب كه خواص در آن‌ها به صورت پیوسته تغییر كند و بر مشكلات نام برده بالا فائق آید، پژوهشگران را به سمت ساخت و تولید مواد با خواص درجه‌بندی شده هدایت نمود. ویژگی‌ها و مزایای این مواد به گونه‌ای است که تحقیقات و تقاضای استفاده از این مواد در سال‌های اخیر در صنایع مختلف از جمله صنایع هوا و فضا به شدت افزایش یافته است.
آثار مخربی که پدیده تشدید می‌تواند به دنبال داشته باشد، اهمیت بررسی و تحلیل ارتعاشات آزاد را به ویژه در هندسه‌ها (مثلا استوانه‌ای و …) و مواد پرکاربرد (مثلا فولاد ها) به خوبی نشان می‌دهد و همچنین با توجه به ارتباط اندك صنعت و دانشگاه در ایران، پیشرفت علوم كمتر به صنعت‌های قدیمی و در حال كار، راه پیدا می‌كند لذا بررسی پوسته استوانه‌ای (شبیه به كوره‌های موجود در مجتمع مس سرچشمه) با مواد FGM حائز اهمیت است.
هدف اصلی در این پایان‌نامه بررسی سه‌بعدی ارتعاشات آزاد پوسته‌های استوانه‌ای با خواص درجه‌بندی می‌باشد. در این پایان نامه ابتدا روابط سینماتیك و روابط ساختاری یك پوسته استوانه‌ای برای حالت‌های خطی و غیر‌خطی تعریف می‌شود سپس با استفاده از این روابط معادلات حركت به‌دست آورده شده و در ادامه با استفاده از نرم‌افزارعددی آباكوس یك پوسته استوانه‌ای از جنس مواد FGM كه از نظر هندسه با در نظر گرفتن برخی فرض‌ها شبیه به كوره‌های مبدل[1] در مجتمع مس سرچشمه می‌شود مدل می‌گردد. پس از مش‌بندی مدل و اعمال بار‌های حرارتی، بار‌های مكانیكی و اعمال تكیه‌گاه، حل عددی حاصل می شود.
تغییرات فركانس برای دماها، جرم‌ها و تكیه‌گاه‌های مختلف مورد بررسی قرار گرفته شد. نتایج نشان می‌دهدكه با افزایش جرم و دما، فركانس كاهش می‌یابد، با افزایش و تغییر در تكیه گاه فركانس افزایش می‌یابد و در نهایت با توجه به نتایج حاصل شده برای تنش و فركانس، پیشنهاد می‌گردد به جای استفاده از ساختار قدیمی كوره، از ماده FGM در بدنه كوره استفاده شود.
کلمات کلیدی: ارتعاشات آزاد – پوسته استوانه‌ای – مواد با خواص درجه‌بندی شده
فصل اول:
مقدمه
1-1 مقدمه
نقش غیرقابل چشم‌پوشی و اثرات گوناگون پدیده‌ی ارتعاشات بر سیستم‌ها و سازه‌های مهندسی به ویژه اثرات نامطلوبی همچون شکست، کاهش راحتی و آسایش و ایجاد اختلال در عملکرد وسایل ابزار دقیق، بیانگر لزوم و اهمیت بررسی، تحلیل و کنترل ارتعاشات می‌باشد. در زمینه‌ی ارتعاشات مکانیکی با توجه به پیامدهای جبران‌ناپذیر و مخربی که پدیده‌ی تشدید می‌تواند به دنبال داشته باشد، بررسی و کنترل دقیق ارتعاشات بدون شناسایی فرکانس‌های طبیعی و تحلیل ارتعاشات آزاد میسر نمی‌باشد.
در میان هندسه‌های مورد استفاده در صنعت، پوسته‌ها، به علت وزن کم ناشی از کوچک بودن ضخامت، یکی از پرکاربردترین سازه‌ها در صنایع مختلف از جمله صنعت خودرو، هوا و فضا، صنایع دریایی و زیردریایی هستند. بدنه، دیفیوزر و دماغه‌ی فضاپیما، هواپیما و موشک، بدنه‌ی زیردریایی، مخازن، لوله‌های انتقال و رآکتور از بارزترین مثال‌ها در این زمینه می‌باشند.
همواره یکی از مشکلات اساسی در دستیابی به تولیدات پیشرفته‌تر، محدودیت در دستیابی به مواد و نیز محدودیت در خواص مواد موجود بوده است. به طوری که پیشرفت در زمینه‌های گوناگون علم و فن‌آوری بدون پیشرفت در علم مواد و دستیابی به موادی با ویژگی‌ها و کارایی‌هایی برتر، محدود می‌گردد. از این‌رو بشر همواره در پی کشف موادی با قابلیت‌های متفاوت و جدید و یا تولید مواد مصنوعی برای ارتقا خواص مواد موجود بوده است.
در سال‌های اخیر با گسترش موتورهای الکتریکی پرقدرت، توربین‌ها، رآکتورها و وسایل نقلیه پرسرعت، مواد مقاوم در برابر شرایط محیطی سخت از جمله دمای بسیار بالا و نیز شیب دمایی بالا، بسیار مورد توجه قرار گرفتند. نیاز به ماده‌ای با مقاومت حرارتی و مکانیکی بالا، معرفی مواد با خواص درجه‌بندی شده[2] را در سال1984 در ژاپن، به عنوان ماده‌ای مقاوم و پرکاربرد، موجب شد. انتخاب مواد با خواص درجه‌بندی شده در سال 1992 به عنوان یکی از 10 فن‌آوری پیشرفته در ژاپن، اهمیت و جایگاه این فن‌آوری را یادآور می‌شود.
اهمیت تحلیل ارتعاشات آزاد، گستردگی کاربرد پوسته‌های استوانه‌ای، قابلیت‌های مواد با خواص درجه‌بندی‌شده می‌تواند اهمیت بررسی و انجام این پروژه را تا حدود زیادی روشن کند.
[2] .Functionally Graded Materials(FGM)
تعداد صفحه : 126
قیمت : 14700تومان
