google-site-verification: google52572f315c4b9a26.html
نشریه علمی صوت و ارتعاش

نشریه علمی صوت و ارتعاش

بروز رسانی و تحلیل مدل ارتعاشاتی دو پوسته استوانه‌ای پیچ‌شده با به‌کارگیری فنرهای مصنوعی بین سطوح فلنج

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
علی حیدری سورشجانی 1
اسماعیل اسدی 1
روح الله طالبی توتی 2
1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
2 دانشکده مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران
چکیده
در این پژوهش، ارتعاشات دو پوسته استوانه­ای- استوانه­ای فلنج­شده پیچی براساس تئوری الاستیسیته سه­بعدی مورد بررسی قرارگرفته است. در این مدل نیمه­تحلیلی، بین هر کدام از نقاط شبکه به­کارگرفته شده در روش مربعات دیفرانسیلی تعمیم­یافته، که بر روی سطوح متناظر فلنج­ها قرار گرفته­اند، یک مجموعه از فنرهای خطی مصنوعی شامل فنرهایی در راستای طولی، محیطی و شعاعی قرار گرفته­اند که با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی ژنتیک، بروزرسانی می­شوند. ضمناً، سازه اصلی با تقسیم به چند پوسته و مونتاژ آن‌ها از طریق اعمال مستقیم شرایط پیوستگی جابه‌جایی و تنش، مدل­سازی شده­ است. همچنین، شبیه‌سازی اتصالات پیچی در نرم‌افزار اجزای محدود و آزمون­های مودال تجربی نیز کمک به مطالعه دقیق­تر می­نماید. تحلیل مودال در نرم­افزار خطی است. بنابراین، نتایج تحلیل استاتیکی شامل تنش‌های ناشی از اعمال گشتاور پیش‌بار، تغییرشکل‌های ایجادشده و تغییر وضعیت نواحی تماس، به‌عنوان شرایط اولیه در تحلیل مودال نرم‌افزار اجزای محدود استفاده شده و شکل مودهای سازه پیچ‌شده شبیه‌سازی شده‌اند. همچنین، مقایسه فرکانس‌های طبیعی حاصل از روش‌های نیمه­-تحلیلی، آزمون مودال تجربی و تحلیل اجزای محدود برای دو حالت اتصال با ده و بیست پیچ انجام شده است. مدل مذکور قادر است ارتعاشات استوانه فلنج‌دار پیچی که به­صورت ایده­آل که مطابق با روش پیشنهادشده در این مقاله ساخته شده­است را با دقت مطلوب شبیه‌سازی کند. روش­های تولید متفاوت فلنج که می­توانند تنش­های پسماند حرارتی و یا تغییر خواص مکانیکی ایجاد کنند، نیاز به مطالعه جداگانه دارند.
کلیدواژه‌ها
پوسته های استوانه ای فلنج شده
اتصالات پیچی
بروزرسانی مدل
تئوری الاستیسیته سه بعدی
مدل فنرهای خطی مصنوعی
موضوعات

عنوان مقاله English

Model updating and analyzing the vibrational model of two bolted cylindrical shells employing artificial springs between the flange surfaces

نویسندگان English

Ali Heidari-Soureshjani 1
Esmail Asadi 1
Roohollah Talebitooti 2
1 Mechanical department, Iran university of science and technology, Tehran, Iran
2 Professor/Iran University of Science and Technology
چکیده English

In this study, vibrations of two bolted flange-connected cylindrical shells are investigated based on three-dimensional elasticity theory. In the semi-analytical model, a set of artificial linear springs—along longitudinal, circumferential, and radial directions—is placed between each pair of grid points employed in the generalized differential quadrature method, which are located on the corresponding flange surfaces. These springs are updated using a genetic optimization algorithm. The primary structure is modeled by dividing it into several shells and assembling them through direct imposition of displacement and stress continuity conditions. In addition, finite element simulations of bolted connections and experimental modal tests are developed to examine vibrational behavior more accurately. Modal analysis in finite element software is inherently linear. Thus, to simulate connections, static analysis results—including stresses from pre-tension torque, deformations, and changes in contact configuration—are used as initial conditions in the modal analysis, enabling simulation of mode shapes of the bolted structure. Natural frequencies obtained from the semi-analytical method, experimental modal testing, and finite element analysis are compared for two connection cases with ten and twenty bolts. The proposed model simulates vibrations of an ideally fabricated bolted flanged cylinder according to the presented procedure with satisfactory precision. However, alternative flange manufacturing methods that may introduce thermal residual stresses or modify mechanical properties warrant separate investigation

کلیدواژه‌ها English

Flanged cylindrical shells
Bolted joints
Model updating
Three-dimensional theory of elasticity
Artificial linear spring model
[1] رضا احمدی, میثم پرهیخته, امید محمدپور و مهدی کریمی, "تحلیل ارتعاشات آزاد یک پوسته استوانه‌ای با روش‌های تجربی و عددی تحت تاثیر افزایش دما," مجله علمی صوت و ارتعاش, 13 26 (1403): 108-122.
[2] محمد رضا نجفی, سعید محجوب مقدس, سید محمد مرتضوی و محمود سالاری, "بررسی اثر تغییر نیم موج‌های محیطی بر فرکانس‌های طبیعی پوسته‌های استوانه‌ای در ارتعاشات زیر آب به‌صورت تجربی و عددی," مجله علمی صوت و ارتعاش, 9 18 (1399): 3-18.
[3] رضا آذرافزا, مطهره عزیزی, حسین لکزیان و پویا پیرعلی, "تحلیل ارتعاش آزاد پوسته استوانه‌ای ترک‌دار به روش عددی و آزمایشگاهی," مجله علمی صوت و ارتعاش, 11 22 (1401): 17-30.
[4] علی رهی, سید احمد مرتضوی و عباس رهی, "شناسایی تجربی فرکانس‌های طبیعی پره توربین گاز با سنجش غیرتماسی مبتنی بر میکروفون," مجله علمی صوت و ارتعاش, 14 28 (1404): 218-228.
[5] Jamia, Nidhal, H. Jalali, Javad Taghipour, M. I. Friswell, and H. Haddad Khodaparast. "An equivalent model of a nonlinear bolted flange joint." Mechanical Systems and Signal Processing 153 (2021): 107507.
[6] Xing, Wu Ce, and Yan Qing Wang. "Nonlinear vibrations of bolted flange joint plate system considering the stick–slip–separation state: theory and experiment." Nonlinear Dynamics 112, no. 11 (2024): 9017-9041.
[7] Semke, William H., George D. Bibel, Sukhvarsh Jerath, Sanjay B. Gurav, and Adam L. Webster. "Efficient dynamic structural response modelling of bolted flange piping systems." International journal of pressure vessels and piping 83, no. 10 (2006): 767-776.
[8] Sun, Xuedong, Wei Sun, Xiaofeng Liu, Dongxu Du, Kunpeng Xu, and Shang Lv. "Semi-analytical modeling and vibration characteristics analysis of the orthogonally stiffened cylindrical shell with variable cross-sections of stiffeners." Thin-Walled Structures 205 (2024): 112527.
[9] Liu, Xin, Yue Zhang, and Jian Yang. "Non-uniform elastic constraint modeling and stiffness identification for the bolted thin-walled cylindrical shell." Thin-Walled Structures 203 (2024): 112233.
[10] Liu, Honghao, Wei Sun, Xiaofeng Liu, Hongwei Ma, Dongxu Du, and Hui Li. "Modeling and free vibration analysis of bolted composite flanged cylindrical-cylindrical shells under partial bolt loosening conditions." Thin-Walled Structures 199 (2024): 111853.
[11] Liu, Xiaofeng, Wei Sun, Honghao Liu, Hongwei Ma, Dongxu Du, and Hui Li. "An investigation of vibration responses for bolted composite flanged-cylindrical shells considering material and joint nonlinearity." Thin-Walled Structures 204 (2024): 112335.
[12] Li, Gang, Zhaokun Nie, Yan Zeng, Jiacheng Pan, and Zhenqun Guan. "New simplified dynamic modeling method of bolted flange joints of launch vehicle." Journal of Vibration and Acoustics 142, no. 2 (2020): 021011.
[13] Pan, J. C., Z. Q. Guan, Yan Zeng, and W. C. Sun. "Modal interactions of a dual-joint cylindrical shell system via nonlinear normal modes." International Journal of Mechanical Sciences 234 (2022): 107659.
[14] Xu, Zhuo, Xiang-chuan Yu, Hui Li, Pei-yao Xu, Da-wei Gu, Qing-kai Han, and Bang-chun Wen. "Nonlinear vibration characteristics of fiber-reinforced composite thin-walled conical-cylindrical coupled shells under partial bolt looseness." Thin-Walled Structures 209 (2025): 112874.
[15] Liu, Xiaofeng, Wei Sun, Honghao Liu, Hongwei Ma, Dongxu Du, and Hui Li. "Modeling and vibration analysis of bolted composite conical-conical shells with flanges." Thin-Walled Structures 200 (2024): 111955.
[16] رضا آذرافزا, مهدی همت بلند و علی داور, "تاثیر شرایط مرزی غیرایده آل بر ارتعاشات آزاد تیر با تکیه گاه ساده," مجله علمی صوت و ارتعاش, 10 20 (1400): 71-83.
[17] امیر گلستانه و حمید احمدیان, "استخراج مشخصه‌های لحظه‌ای و بکارگیری آنها در شناسایی پارامترهای سازه‌های متغیر با زمان با استفاده از روش‌های آنالیز ویولت و تجزیه مود تحلیلی-هیلبرت," مجله علمی صوت و ارتعاش, 9 18 (1399): 36-53.
[18] Ahmadian, Hamid, John E. Mottershead, Simon James, Michael I. Friswell, and Carole A. Reece. "Modelling and updating of large surface-to-surface joints in the AWE-MACE structure." Mechanical Systems and Signal Processing 20, no. 4 (2006): 868-880.
[19] Luan, Yu, Zhen-Qun Guan, Geng-Dong Cheng, and Song Liu. "A simplified nonlinear dynamic model for the analysis of pipe structures with bolted flange joints." Journal of Sound and Vibration 331, no. 2 (2012): 325-344.
[20] Yao, Xingyu, Jianjun Wang, and Xue Zhai. "Research and application of improved thin-layer element method of aero-engine bolted joints." Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering 231, no. 5 (2017): 823-839.
[21] Tang, Qiansheng, Chaofeng Li, Houxin She, and Bangchun Wen. "Vibration analysis of bolted joined cylindrical-cylindrical shell structure under general connection condition." Applied Acoustics 140 (2018): 236-247.
[22] Beaudoin, Marc-Antoine, and Kamran Behdinan. "Analytical lump model for the nonlinear dynamic response of bolted flanges in aero-engine casings." Mechanical Systems and Signal Processing 115 (2019): 14-28.
[23] Chai, Qingdong, and Yan Qing Wang. "Nonlinear dynamics of bolted joined conical-cylindrical shells considering displacement-dependent characteristics." International Journal of Mechanical Sciences 261 (2024): 108673.
[24] Chai, Qingdong, and Yan Qing Wang. "Nonlinear vibrations of conical-cylindrical shells under bolted boundary with stick-slip-separation behavior." Mechanical Systems and Signal Processing 217 (2024): 111511.
[25] Chai, Qingdong, and Yan Qing Wang. "Nonlinear vibration of spinning joined conical-cylindrical shells with bolt boundary constraints in thermal environment." Nonlinear Dynamics 112, no. 15 (2024): 12875.
[26] Xing, Wu Ce, and Yan Qing Wang. "A unified nonlinear dynamic model for bolted flange joint disk-drum structures under different interface states: theory and experiment." Applied Mathematical Modelling 137 (2025): 115695.
[27] Liu, Honghao, Wei Sun, Xiaofeng Liu, Hongwei Ma, Dongxu Du, and Hui Li. "Vibration of bolted composite cylindrical-cylindrical flanged shells considering contact characteristics." International Journal of Mechanical Sciences 280 (2024): 109545.
[28] Asadi, Esmail, Ali Heidari-Soureshjani, Mostafa Talebitooti, and Roohollah Talebitooti. "Comparative analysis of ring-stiffened and ring-supported cylindrical shells: Experimental and computational approaches for capturing local resonances." Mechanics Based Design of Structures and Machines 53, no. 5 (2025): 3904-3933.
[29] Heidari-Soureshjani, Ali, Esmail Asadi, Roohollah Talebitooti, and Mostafa Talebitooti. "Non-alignment effects on the frequency behaviors of sandwich stepped cylindrical shells with auxetic 3D-ARCS core." Thin-Walled Structures 212 (2025): 113162.
[30] Heidari-Soureshjani, Ali, Mohammad Rajabi, Roohollah Talebitooti, and Mostafa Talebitooti. "Hygrothermal vibro-buckling of FG ceramic-steel porous consolidated conical-conical shells." Thin-Walled Structures 201 (2024): 112002.