تحلیل رفتار دینامیکی پوسته استوانه‌ای مرکب چندلایه با حلقه‌های پیزوالکتریک موضعی به روش لایه مجزا و بررسی عملکرد حسگری و محرکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران

2 دانشجو کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید مدنی آذربایجان، تبریز، ایران

چکیده

استفاده از حلقه‌های پیزوالکتریک به‌جای لایه‌ سرتاسری در پوسته‌های مرکب چندلایه، موجب کاهش وزن، هزینه‌های ساخت و بهره‌برداری می‌گردد. برای تحلیل پوسته‌های مرکب با لایه‌های پیزوالکتریک پیوسته معمولاً از روش‌های تحلیلی دقیق و فرمولبندی الاستیسیته استفاده می‌شود، اما در مواردی که لایه‌ پیزوالکتریک به‌صورت موضعی (حلقه یا وصله) باشد، رویکرد‌های مذکور قابلیت کاربرد ندارند. در این تحقیق بمنظور افزایش دقت تحلیل رفتار دینامیکی پوسته استوانه‌ای چند لایه با حلقه‌های پیزوالکتریک از روش عددی اجزای محدود لایه مجزا (CLW) استفاده می‌گردد. این روش کاهش خطای قابل توجهی در محاسبه جابجایی و تنش (4 تا ۷ درصد) در مقایسه با روش‌ تقریبی (تئوری ‌لایه معادل) و حداکثر خطای 6 درصدی در فرکانس طبیعی پوسته‌ ضخیم نسبت‌ به حل دقیق نشان می‌دهد استوانه با تکیه‌گاه ساده و مجهز به حلقه‌های پیزوالکتریک، تحت انواع بارگذاری استاتیکی و دینامیکی قرار می‌گیرد. فرمول‌بندی دارای جفت‌شده‌گی کامل است و به‌طور همزمان قادر به مدلسازی عملکرد دوگانه حسگری و عملگری حلقه می‌باشد. معادلات حاکم سه بعدی از طریق تئوری لایه مجزا به معادلات دیفرانسیل دو بعدی تقلیل می‌یابد و معادلات حاصل با استفاده از المان محدود در جهت محوری حل می‌شوند. مثال‌های عددی برای پوسته چند لایه با حلقه های پیزوالکتریک ارائه می‌گردد. مقایسه نتایج عددی با داده‌های مسائل مشابه در ادبیات فن، نشان از دقت و کارایی بالای روش حاضر دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Tiersten HF., Linear piezoelectric plate vibrations. Plenum, New York, 1969.
[2] Mirsky I. Axisymmetric vibrations of orthotropic cylinders. J. Acoustical Soc America 36. 2106.1964.
[3] Tzou HS. and JP. Zhong. Linear theory of piezoelectric shell vibrations. J. Sound Vib. 175(1), 77. 1994
[4] Robbins DH. and Reddy JN. Analysis of piezoelectrically actuated beams using a layer-wise displacement theory. Computers and Structures, 1991, 265.
[5] Heyliger P. Pei KC. and Saravanos D. Layerwise mechanics and finite element model for laminated Piezoelectric shell. J. AIAA 34(11): 2353,1996.
[6] Faria AR. and Almeida SF.M. Axisymmetric actuation of composite cylindrical thin
shells with piezoelectric rings, Smart Material Structures J., 7, 845, 1998.
[7] Kapuria S, Sengupta S, Dumir PC. Three-dimensional solution for piezoelectric cylindrical shell for simply-supported axisymmetric load. Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. 140 (1997) 139-155
[8] Kapuria S, Sengupta S, Dumir PC. Assessment of shell theories for hybrid piezoelectric cylindrical shell under electromechanical load. Int. J. Mech. Sci. 40(5): 461, 1998.
[9] Reddy JN., Mechanics of Laminated Composite Plates and Shells: Theory and Analysis, CRC Press, Boca Raton, FL, 2004.
[10]. Saviz MR, Shakeri M. Yas MH. Electroelastic fields in layered piezoelectric cylindrical shell under dynamic load, J. Smart Mat. & Struct., 2007; 16, 1- 13.
 [11] Zhang X., Lin S., & Wang Y. Three-dimensional coupled vibration theory for the longitudinally polarized piezoelectric ceramic tube. Applied Acoustics, 91, 59-63. 2015.
[12] Ansari R., Pourashraf T., Gholami R. and Shahabodini A. Analytical Solution for Nonlinear Postbuckling of Functionally Graded Carbon Nanotube-Reinforced Composite Shells with Piezoelectric Layers. Composites Part B: Engineering, 90, 267-277, 2016.
[13] Wang J, Cao Y, Lin G., Vibration analysis of high-speed rotating conical shell with arbitrary boundary conditions. Proc Meet Acoust 29: 065001, 2016.
[14] Arefi M. Third-order electro-elastic analysis of sandwich doubly curved piezoelectric micro shells. Mech based des Struc 1-30. 2019.
[15] Mousavi SA., Elhami MR., Kafash Mirza Rahimi M., & Kharestany A. A. (2020). Dynamic and Vibration Analysis of Composite Cylindrical Shell with Piezoelectric Layers. Aerospace Mechanics, 16(2), 15-25. (in persian)‏