تحلیل ارتعاش آزاد پوسته استوانه‌ای ترک‌دار به روش عددی و آزمایشگاهی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مکانیک- مجتمع دانشگاهی مواد و فناورهای ساخت- دانشگاه صنعتی مالک اشتر

2 مجتمع دانشگاهی مواد و فناورهای ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران

3 دانشجوی کارشناسی ارشد، مجتمع دانشگاهی مواد و فناورهای ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران

چکیده

ساختار پوسته­های استوانه‌ای در معرض انواع مختلفی از نقص‌ها و آسیب‌های مانند ترک‌­ها هستند که ممکن است ایمنی ساختاری آنها را از بین ببرد. اثرات ترک در طراحی سازه پوسته استوانه‌ای به دلیل تاًثیر‌گذاری بر خصوصیات ارتعاشی و ایمنی، قابل‌توجه هستند. در مقاله حاضر تحلیل ارتعاشات آزاد پوسته استوانه‌ای ترک‌دار با روش عددی (المان محدود) و آزمایشگاهی بررسی شده است. جهت بررسی رفتار ارتعاشی، در روش آزمایشگاهی از آنالیز مودال و در روش عددی از نرم‌افزارهای تجاری المان محدود آباکوس[i]، استفاده شده است. به‌منظور صحت‌سنجی نتایج، با ایجاد ترک در مدل آزمایشگاهی، فرکانس‌های پوسته استوانه‌ای ترک‌دار به‌دست آمده و با نتایج عددی مقایسه می‌گردند. در ادامه اثر پارامترهای مختلف نظیر طول ترک، زاویه ترک، عمق ترک، محل ترک، ضخامت پوسته، طول پوسته تحت شرایط مرزی دو سر آزاد بر روی فرکانس‌های ارتعاشی بررسی شده است. برای تعیین میزان تاًثیرگذاری هر یک از پارامترها بر روی فرکانس‌های ارتعاشی، طراحی آزمونی با استفاده از RSM-CCD[ii] انجام شده است. نتایج به‌دست آمده نشان می‌دهد که با افزایش 67 درصدی نسبت طول ترک به قطر، فرکانس طبیعی به مقدار 7/32 درصد کاهش می‌یابد و همچنین با کاهش 50 درصدی زاویه ترک، فرکانس به مقدار 5/24 درصد کاهش می‌یابد. در نتیجه فرکانس طبیعی ایجادشده توسط ترک در تعداد مشخصی از حالت‌ها، بسته به محل ترک تغییر می‌کند.
 
[i]. Abaqus
[ii]. Response Surface Methodology Central composite design (RSM-CCD)


 


 

 
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Free vibration analysis of cracked cylindrical shell by numerical and experimental methods

نویسندگان [English]

  • Reza Azarafza 1
  • Motahare Azizi 2
  • hossein lexian 2
  • Pooya Pirali 3
1 Faculty of Materials & Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran
2 Faculty of Materials & Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran
3 Faculty of Materials & Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Cylindrical shell structures are exposed to various types of defects and damages such as cracking, which may destroy their structural safety. The effects of cracks in the design of cylindrical shell structures are significant due to their impact on vibration and safety characteristics. In this article, the free vibration analysis of cracked cylindrical shell has been investigated by numerical and experimental methods. In order to investigate the actual vibration behavior, modal analysis was used in the laboratory method and commercial finite element software was used in the numerical method. In order to verify the results, by creating a crack in the laboratory model, the frequencies of the cracked cylindrical shell are measured and compared with the numerical solution. The effect of various parameters such as crack length, crack angle, crack depth, crack location, shell thickness, shell length under boundary conditions of two free ends has been investigated on vibration frequencies. To determine the influence of each parameter on the vibration frequencies, a test design has been done using RSM-CCD. The obtained results show that with a 67% increase in the ratio of crack length to diameter, the natural frequency decreases to 32.7% and also with a 50% decrease in the crack angle, the frequency decreases to 24.5%. As a result, the natural frequency created by the crack changes in a certain number of modes--condition, depending on the location of the crack.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Free vibrations
  • Cracked cylindrical shell
  • Numerical analysis
  • Natural frequencies
  • RSM-CCDB
 
[1] Lee, Usik, and Jinho Shin, "A frequency response function-based structural damage identification method", Computers & Structures, 2002, Vol.80, no.2, pp.117-132.
[2] Naeimi_Abkenari, Arash, and Mahdi Karimi, "Experimental and numerical investigation of interlayer crack effects on the Free-vibration of corrugated-face sheet composite sandwich plates", Modares Mechanical Engineering, 2016, Vol.16, no.5, pp.39-50.
[3] حسن نژاد، رضا،  ”توسعه تحلیل ارتعاشات عرضی سازه‌های ترک‌دار با مدل غیرخطی ترک“، 1389، پایان نامه دکترای تخصصی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز.
[4] Das, R. R., A. Chakraborty, A. Guchhait, and A. Singla, "Free vibration Analyses of cracked Laminate Cylindrical Shells made with FRP Composites", International Journal of Current Engineering and technology, 2014, pp. 615-619.
[5] Vafai, A., M. Javidruzi, J. F. Chen, and J. C. Chilton, "Effect of cracks on vibration, buckling and parametric instability of cylindrical shells", In Advances in Steel Structures (ICASS'02), Elsevier, 2002, pp.755-762.
[6] Nasirmanesh, Amir, and Soheil Mohammad, "An extended finite element framework for vibration analysis of cracked FGM shells", Composite Structures, 2017, Vol.180, p.298-315.
[7] Nguyen-Thoi, M. H., L. Le-Anh, V. Ho-Huu, H. Dang-Trung, and T. Nguyen-Thoi, "An extended cell-based smoothed discrete shear gap method (XCS-FEM-DSG3) for free vibration analysis of cracked Reissner-Mindlin shells", Frontiers of Structural and Civil Engineering, 2015, Vol.9, pp.341-358.
[8] Javidruzi, M., A. Vafai, Jian Fei Chen, and J. C. Chilton, "Vibration, buckling and dynamic stability of cracked cylindrical shells", Thin-walled structures, 2004, Vol.42, no.1, pp.79-99.
[9] Xin, Jianqiang, Jianjun Wang, Jianyao Yao, and Qinkai Han, "Vibration, buckling and dynamic stability of a cracked cylindrical shell with time-varying rotating speed", Mechanics Based Design of Structures and Machines, 2011, Vol.39, no.4, pp.461-490.
[10] Rehman, Shaik Mujeebur, and Chalamalasetti Srinivasa Rao, "Vibration buckling and fracture analysis of a cracked cylindrical shell", International Journal of Design Engineering, 2017, Vol.7, no.1, p.33-53.
[11] آذرافزا، ر.، قدیمی، م.، هرسینی، ا.، ” مطالعه عددی و آزمایشگاهی اثر جدایش بین لایه­ای در صفحات کامپوزیتی انحنادار بر خواص مکانیکی و ارتعاشی “، نشریه علمی ترویجی صوت و ارتعاش، 1398، سال هشتم، شماره 15، صفحه 3- 17.
[12] Tiwari, Prakash, and P. V. Joshi, "Analytical modeling for vibration analysis of partially cracked Cylindrical Shell", 2018.
[13] Velayatparvardeh, M. H., and A. Shooshtari, "Numerical and Experimental Analysis of the Effects of Crack on Vibration Characteristics of GFRP-stiffened Pipes", Journal of Stress Analysis, 2019, Vol.4, no.1, pp.99-112.
[14] Googarchin, Hamed Saeidi, and Kasra Moazzez, "Analytical solution for free vibration of cracked orthotropic cylindrical shells", International Journal of Mechanical Sciences, 2019, Vol.153, pp.254-270.
[15] Das, R. R., A. Chakraborty, A. Guchhait, and A. Singla, "Free vibration Analyses of cracked Laminate Cylindrical Shells made with FRP Composites", International Journal of Current Engineering and technology, 2014, pp.615-619.
[16] Jweeg, Muhsin J., Ali S. Hammood, and Muhannad Al-Waily, "Experimental and numerical study of oblique crack effect on natural frequency of different composite plate structure types", Asian Transactions on Engineering (ATE ISSN: 2221-4267) Volume 2, 2012.
[17] Mishra, Itishree, and Shishir Kumar Sahu, "Modal analysis of woven fiber composite plates with different boundary conditions" International Journal of Structural Stability and Dynamics, 2015, Vol.15, no.01, p.1540001.