Управление собственными частотами колебаний пологих оболочек с помощью проволочных актуаторов
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2022.15.4.32Ключевые слова:
пологие цилиндрические оболочки, собственные частоты колебаний, предварительное напряжённое состояние, метод конечных элементовАннотация
Пологие оболочки находят широкое применение в авиационной и аэрокосмической промышленности. В этих отраслях проблема контролируемого изменения собственных частот колебаний конструкции не теряет своей актуальности и на сегодняшний день. Использование с этой целью механических актуаторов на основе проволок из сплава с памятью формы выглядит перспективным ввиду их компактности и способности развивать значительные усилия. В данной работе численно исследуется возможность управления собственными частотами колебаний сегмента пологой цилиндрической оболочки с помощью таких устройств. Деформации в оболочке определяются нелинейными соотношениями с учётом гипотез теории Рейсснера–Миндлина, которые затем линеаризуются относительно состояния с малым отклонением от положения начального равновесия, вызванным сокращением длины проволок. Для снижения вычислительных затрат эффект памяти формы напрямую не моделируется. Вместо этого задаётся эквивалентная деформация проволок на некоторую величину. Математическая постановка задачи динамики базируется на вариационном принципе возможных перемещений, учитывающем предварительное напряжённое состояние. Положение проволок по окружной координате и их начальная деформация (укорачивание) находятся для каждой частоты (формы) колебаний в отдельности из решения задачи оптимизации с ограничениями. При отыскании значений целевой функции используются возможности программного обеспечения ANSYS Mechanical APDL, в котором методом конечных элементов вычисляются собственные частоты колебаний рассматриваемой конструкции. Достоверность полученных результатов подтверждается путём сопоставления с представленными в литературе данными для круговой цилиндрической оболочки, нагруженной внутренним давлением. Проведённая серия расчётов показала, что сокращение длины проволок приводит не только к изменению собственных частот колебаний в большую и меньшую стороны, но и качественно влияет на соответствующие им формы и порядок их следования в спектре. Также установлено, что увеличение выпуклости оболочки (подъём относительно плоскости) снижает эффективность работы проволочных актуаторов.
Скачивания
Библиографические ссылки
Sofla A.Y.N., Meguid S.A., Tan K.T., Yeo W.K. Shape morphing of aircraft: Status and challenges // Materials and Design. 2010. Vol. 31. P. 1284-1292. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2009.09.011
Kim N.-G., Han M.-W., Iakovleva A., Park H.-B., Chu W.-S., Ahn S.-H. Hybrid composite actuator with shape retention capability for morphing flap of unmanned aerial vehicle (UAV) // Compos. Struct. 2020. Vol. 243. 112227. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112227
Sinn T., Barrett R. Design, manufacturing and test of a high lift secondary flight control surface with shape memory alloy post-buckled precompressed actuators // Actuators. 2015. Vol. 4. P. 156-171. https://doi.org/10.3390/act4030156
Kreitzman J.R., Calkins F.T., Nicholson D.E., Lafranchi A.F., Dodge C.A., Cattafesta L.N. Active acoustic liners enabled by shape memory alloy technology // AIAA AVIATION 2020 FORUM. 2020. https://doi.org/10.2514/6.2020-2617
Jiang D., Kyriakides S., Bechle N.J., Landis C.M. Bending of pseudoelastic NiTi tubes // Int. J. Solids Struct. 2017. Vol. 124. P. 192-214. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2017.06.032
Тихомирова К.А. Разработка и численная реализация одномерной феноменологической модели фазовой деформации в сплавах с памятью формы // Вычисл. мех. сплош. сред. 2016. Т. 9, № 2. С. 192-206. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2016.9.2.17
Saadat S., Salichs J., Noori M., Hou Z., Davoodi H., Bar-on I., Suzuki Y., Masuda A. An overview of vibration and seismic application of NiTi shape memory alloy // Smart Mater. Struct. 2002. Vol. 11. P. 218-229. https://doi.org/10.1088/0964-1726/11/2/305
Tabrizikahou A., Kuczma M., Nowotarski P., Kwiatek M., Javanmardi A. Sustainability of civil structures through the application of smart materials: A review // Materials. 2021. Vol. 14. 4824. https://doi.org/10.3390/ma14174824
Tabrizikahou A., Kuczma M., Łasecka-Plura M., Farsangi E.N., Noori M., Gardoni P., Li S. Application and modelling of shape-memory alloys for structural vibration control: state-of-the-art review // Construct. Build. Mater. 2022. Vol. 342. 127975. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.127975
Aiken I.D., Kelly J.M. Earthquake simulator testing and analytical studies of two energy-absorbing systems for multistory structures. 1990. Report No. UCB/EERC-90-03. 300 p.
Clark P.W., Aiken I.D., Kelly J.M., Higashino M., Krumme R. Experimental and analytical studies of shape-memory alloy dampers for structural control // Proc. of the Smart Structures and Materials. 1995: Passive Damping. San Diego, CA, United States, 26 February – 3 March, 1995. P. 241-251. https://doi.org/10.1117/12.208891
Baz A., Imam K., McCoy J. Active vibration control of flexible beams using shape memory actuators // J. Sound Vib. 1990. Vol. 140. P. 437-456. https://doi.org/10.1016/0022-460X(90)90760-W
Bidaux J.-E., Månson J.-A.E., Gotthardt R. Active stiffening of composite materials by embedded shape-memory-alloy fibres. MRS Online Proceedings Library. 1996. Vol. 459. P. 107-117. https://doi.org/10.1557/PROC-459-107
Shahin A.R., Meckl P.H., Jones J.D. Modeling of SMA tendons for active control of structures // J. Intell. Mater. Syst. Struct. 1997. Vol. 8. P. 51-70. https://doi.org/10.1177/1045389X9700800106
Heinonen J., Vessonen I., Klinge P., Järvinen E. Controlling stiffness of a frame spring by changing the boundary condition with an SMA actuator // Comput. Struct. 2008. Vol. 86. P. 398-406. http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruc.2007.02.008
Zareie S., Zabihollah A. A semi-active SMA-MRF structural stability element for seismic control in marine structures // Appl. Ocean Res. 2020. Vol. 100. 102161. http://dx.doi.org/10.1016/j.apor.2020.102161
Zareie S., Hamidia M., Zabihollah A., Ahmad R., Dolatshahi K.M. Design, validation, and application of a hybrid shape memory alloy-magnetorheological fluid-based core bracing system under tension and compression // Structures. 2022. Vol. 35. P. 1151-1161. http://dx.doi.org/10.1016/j.istruc.2021.08.094
Ванин Г.А., Семенюк Н.П., Емельянов Р.Ф. Устойчивость оболочек из армированных материалов. Киев: Наукова думка, 1978. 212 с.
Клигман Е.П. Устойчивость и колебания вязкоупругих структурно неоднородных многослойных оболочек вращения / Дисс... канд. техн. наук: 01.02.04. Пермь, ИМСС УрО РАН, 1986. 175 с.
Бочкарев С.А., Матвеенко В.П. Численное моделирование устойчивости нагруженных оболочек вращения при внутреннем течении жидкости // ПМТФ. 2008. Т. 49, № 2. С. 185-195. (English version https://doi.org/10.1007/s10808-008-0043-1)
Bochkarev S.A., Lekomtsev S.V., Matveenko V.P. Natural vibrations of loaded noncircular cylindrical shells containing a quiescent fluid // Thin-Walled Struct. 2015. Vol. 90. P. 12-22. https://doi.org/10.1016/j.tws.2015.01.001
Bathe K.-J., Dvorkin E.N. A formulation of general shell elements — the use of mixed interpolation of tensorial components // Int. J. Numer. Meth. Eng. 1986. Vol. 22. P. 697-722. https://doi.org/10.1002/nme.1620220312
Dvorkin E.N., Bathe K.-J. A continuum mechanics based four-node shell element for general nonlinear analysis // Eng. Comput. 1984. Vol. 1. P. 77-88. https://doi.org/10.1108/eb023562
Бате К.-Ю. Методы конечных элементов. М: Физматлит, 2010. 1024 с.
Miserentino R., Volsteen L.F. Vibration tests of pressurized thin-walled cylindrical shells. 1965. Report No. NASA TN D 3066. 50 p.
Zhang Y.L., Gorman G.D., Reese J.M. Vibration of prestressed thin cylindrical shells conveying fluid // Thin-Walled Struct. 2003. Vol. 41. P. 1103-1127. https://doi.org/10.1016/S0263-8231(03)00108-3
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2023 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.