دانشگاه آزاد اسلامی
واحد تهران جنوب
دانشکده تحصیلات تکمیلی
“M.SC” پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
مهندسی مکانیک – طراحی کاربردی
عنوان:
تحلیل استاتیکی و دینامیکی تیر کامپوزیت ترمو پیزوالاستیک با فرض تیموشنکو و روش اجزای محدود
چکیده
بهره گیری از سازه های نوین پیشرفته و سیستم های ترمو الکترومکانیکی مانند سیستم های با دقت بالا، سیستم های میکروترمو الکترومکانیکی، سنسورهای گسترده و سیستم های کنترل دقیق و غیره در سال های اخیر به یکی از شاخه های اصلی فعالیت های تحقیق و توسعه تبدیل شده است. به کارگیری سیستم ها و دستگاه های نوین فوق می تواند انقلاب تکنولوژیک عظیمی در صنایع مدرن ایجاد کرده و به طور مستقیم یا غیرمستقیم حیات بشر را مورد تأثیر قرار دهد. امروزه مسلم شده است که در جستجو و تحقیقات برای تکنولوژی های جدید و خلاقانه فن آوری ترمو پیزوالکتریک به طور گسترده ای در زمینه های مختلف صنعتی از میکرو سنسورهای نازک گرفته تا سازه های عظیم فضایی کاربرد داشته و علاوه بر آن کاربردهای صنعتی قدیمی تر مثل میکروموتورها و سنسورها و غیره نیز جایگاه ویژه خود را دارند. به طور عام مدل های آزمایشگاهی از نظر هزینه و شکل و اندازه و غیره محدود و تا حدودی بامطمئن هستند. مدل های تئوریک می توانند عمومی تر باشند ولی روش های تحلیلی نیز به اشکال و شرایط مرزی نسبتا ساده محدود می شوند. به همین دلیل است که حل المان محدود به منظور مدلسازی و تحلیل محیط های پیوسته ترمو پیزو الکتریسیته بسیار ضروری و مفید به نظر می رسد.
در این پایان نامه سعی کرده ام، در فصل اول به صورت اختصار سازه های باهوش و تاثیر حرارت بر آنها و همچنین خلاصه ای از مقالات معتبر، جدیدترین مطالب علمی و تحقیقات انجام شده در این زمینه را مورد مطالعه قرار دهم.
در فصل دوم، در قسمت اول تاریخچه مختصری از پیزوالکتریسیته آورده شده است. در قسمت دوم شناخت مواد پیزوالکتریک، پیروالکتریک، فروالکتریک، ترمو پیزوالکتریک و منشاءهای ایجاد قطبش آورده شده است.
در فصل سوم، در قسمت اول نقطه شروع معادلات ساختاری یک بعدی الکترواستاتیک آورده شده است. در قسمت دوم معادلات ساختاری عمومی ترمو پیزوالاستیسیته از قوانین ترمودینامیک استخراج شده است. در قسمت سوم معادلات ساختاری پیزو الکتریسیته خطی و ماتریس های ساده شده کوپل مربوط به کریستال های متقارن آورده شده است. در قسمت چهارم معادلات ترمو پیزوالاستیسیته در شرایط حرارتی کوپل و غیرکوپل مدار بسته، دو سیستم کنترلی، کنترل تناسبی و کنترل سرعت منفی و نیز قوانین حاکم بر جسم ترمو پیزوالاستیک آورده شده است.
در فصل چهارم، اصول و فرمولاسیون حاکم بر تیر مرکب ترمو پیزوالاستیک با فرض تیموشنکو با استفاده از اصل کار مجازی همیلتون و در نظر گرفتن فرضیه خطی ترمو پیزوالکتریسیته با استفاده از سیستم های کنترلی، کنترل سرعت منفی و کنترل تناسبی آورده شده است.
در فصل پنجم، معادلات حاکم بر تیر مرکب ترمو پیزوالاستیک تیموشنکو برحسب ترم های تغییر مکان و بی بعدسازی آنها و استفاده از روش گلرکین مدل المان محدود تیر تیموشنکو و نیز روش حل معادلات در بعد زمان را براساس روش نیومارک شرح داده شده آورده شده است.
در فصل ششم به حل کامپیوتری با استفاده از روش نیومارک و به بحث و نتیجه گیری حاصل از حل با شرایط مختلف پرداخته شده است.
فصل اول: مقدمه و مروری بر تحقیقات گذشته
1-1) مقدمه
ساختار کامپوزیت مواد هوشمند، توانایی ترکیب تراکم پایین و خواص مکانیکی و حرارتی بالای مواد کامپوزیت همراه با توانایی تفکیک ناپذیر مواد هوشمند در حس و تطبیق خود با محیط را فراهم می کند. بنابراین استفاده از ساختار هوشمند، به طور چشمگیری توانای بهبود کارایی سازه های فضایی را فراهم می کند. سازه های هوشمند از سازه های متداول، به وسیله المان های حسگر و محرک کنترل می شود را می توان تشخیص داد. یک نمونه استفاده از سازه هوشمند، حسگرهای استفاده شده برای کنترل سلامتی عکس العمل مکانیکی سازه در اثر تغییرات جابه جایی ها، کرنش ها و یا شتاب ها می باشد. به این ترتیب که واکنش نامطلوب یا نامساعد سازه در حسگرها دریافت می شود و یک کنترل کننده ورودی مناسب را به عملگردها می دهد و عملگرها به این ورودی واکنش نشان می دهند و تولید یک واکنش مکانیکی مطابق تغییر ایجاد شده در سازه می کنند، که سود بخش تر یا حالت قابل قبول تری می باشد.
توانایی مواد هوشمند در حس کردن و با محیط وفق دادن، باعث شده در محدوده وسیعی شامل میرا کردن ارتعاش سازه های هوای، کنترل صدای روتور هلیکوپتر، کنترل پل ها، کنترلی شکل خرپاهای فضایی بزرگ، کنترل ائیروالاستیک پرو از اجزای هوای، کنترل لرزش ساختمان ها و غیره کاربرد داشته باشند.
کرالی در سال 1993 و لوئی در سال 1997، تحقیق کاملی از حالت جاری سازه های هوشمند برای کاربردهای فضایی انجام دادند.
مواد مختلف متفاوتی را می توان هم به عنوان المان حسگر و هم عملگر در سازه های کاربردی هوشمند مورد استفاده قرار داد. بستگی به مواد ویژه انتخاب شده، المان های حسگر و عملگر از طریق الکتریک، مگنتیک، حرارت یا انرژی نور کنترل می شوند.
ماده بعضی از عملگر و حسگرهای معمول شامل: مواد پیزوالکتریک، آلیاژهای حافظه شکل، فیبر نوری، مواد الکترواسترکتیو و مواد مگنتو استرکتیو می باشند که فقط مواد پیزوالکتریک دارای توانایی منحصر به فردی می باشند که هم به عنوان حسگر و عملگر کاربرد دارند.
چسباندن یا لایه گذاری تکه های زیادی از این مواد در سازه ها، امکان حس کردن کرنش ها و اعمال تنش برای کنترل آنها را به خوبی فراهم می کند. با توجه به ابعاد کوچک آنها، تعداد زیادی از آنها را می توان در سازه ها مورد استفاده قرار داد بدون اینکه جرم سازه به میزان قابل توجهی زیاد شود.
از دیگر مزایای مواد پیزوالکتریک که کمک می کند به شناخت محبوبیت گسترده آنها شامل: ادغام ساده در سازه ها، به آسانی می توان پیزوپلیمرها و پیزوسرامیک ها را به صورت تجاری تهیه کرد و نیز تبحر استفاده از این مواد از کاربردهای قبلی در مبدل ها افزایش یافته است.
در این پروژه سعی شده است تاثیر میدان های الکتریکی، حرارتی و مکانیکی در تیرهای مرکب ترمو پیزوالاستیک مورد بررسی واقع شود. بنابراین قبل از اینکه این مواد در ساختارهای هوشمند استفاده شوند، تمام مشخصه های کوپل شده مکانیک، الکتریک و حرارت مواد هوشمند باید مشخص شده باشد. به همین منظور تحقیقات وسیعی از سال 1980 در مورد بررسی کردن هردو حالت حسگر و عملگر مواد هوشمند انجام شده است.
براي دانلود متن كامل پايان نامه اينجا كليك كنيد
نظرات شما عزیزان:
تبادل لینک هوشمند