17757

17757

طراحي، بهينه سازي و ساخت سازه استوانه اي دوار ناهمگن با خواص تابعي

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي

خرداد 1396

دكتر كامران دانشجو

مكانيك

ماده هدفمند يا مواد با خصوصيات درجه بندي شده به صورت تابعي (مواد هدفمند )، موادي غيرهمگن مي باشند كه مهم ترين خصوصيت اين مواد اين است كه اجزاي تشكيل دهنده ي آن مي توانند با خصوصيات متفاوت انتخاب شوند، به صورتي كه خواص در آن ها به صورت پيوسته و بر اساس كسر حجمي تغيير مي-كند. به دليل ويژگي هاي منحصر به فرد اينگونه مواد در ارائه خواص چندگانه و گاهي متضاد در يك حجم ماده، صنايع مختلف به خصوص صنايع هوافضا، توربوماشين ها، پوشش دهي، سيستم هاي ذخيره انرژي الكتريكي، خودرو و صنايع وابسته به آن و غيره به صورت گسترده از مواد با ساختار هدفمند استفاده مي-كنند. يكي از انواع سازه هايي كه در صنعت به خصوص در خودروسازي كاربردهاي زيادي دارند، استوانه هاي جدار ضخيم مي باشند كه تحليل تنش در اين سازه ها همواره براي طراحي مناسب آن ها اهميت زيادي دارد. در اين مطالعه، به طراحي بهينه يك سازه ي استوانه اي شكل دوار از جنس مواد هدفمند پرداخته شده است. در واقع تغييرات خواص در راستاي شعاعي استوانه ي دوار به صورتي طراحي مي گردد كه پس از اعمال شرايط اوليه(شرايط عملكرد)، پارامتر يا پارامترهاي مورد نظر بهينه شود. در اينجا، الگوريتم هاي بهينه سازي تكاملي مد نظر بوده كه از الگوريتم بهينه سازي چند هدفه ي ژنتيك (NSGA-II) استفاده شده است. با اعمال الگوريتم ژنتيك چند هدفه ي مقيد با اهداف همزمان حداقل كردن جرم استوانه ي هدفمند و حداكثر تنش ون-ميزز به وجود آمده در استوانه، نموداري از جبهه ي پارتو حاصل مي شود كه مجموعه اي از نقاط بهينه ي مورد نظر در آن موجود است. با انتخاب هر نقطه ي بهينه از اين نمودار يك پروفيل توزيع حاصل مي شود. مسئله براي سه حالت دلخواه مختلف حل و نتايج آن به صورت جداگانه در سه بخش به صورت نمودار مشخص و سپس با هم مقايسه مي شود. پس از تحليل و يافتن پروفيل بهينه، يك نمونه از مدل طراحي شده، ساخته و سعي مي شود با امكانات موجود تا حد امكان پروفيل بدست آمده ي تئوري، در مدل تجربي ايجاد شود. در انتها، نتايج تجربي و تئوري با هم مقايسه و خطاي بخش آزمايشكاهي مشخص مي شود. واژه‌هاي كليدي: مواد هدفمند، استوانه، بهينه سازي، كسر حجمي، الگوريتم ژنتيك

1396/06/12

1/1/1900 12:00:00 AM

Functionally graded materials (FGM) are non-homogeneous materials which main characteristic of them is that their component could be selected with different properties, so that the properties varying continuously according to the volume fraction. Due to unique features of these materials in one volume of material, various industries, especially aerospace, turbomachinery, coating systems, storing electrical energy systems, automotive and related industries, etc. used them widely. The microstructure and chemical composition of FGM has a variable distribution in the volume of material, which leads to multiple properties of the material. One of the structures used in industries, especially in automotive applications, is thick-walled cylinders. Stress analyzing is so important for acceptable design of these structures. In this study, Optimal design of rotating functionally graded material (FGM) cylindrical shell for minimizing the maximum von Mises stress and total mass of the FGM is investigated. Functionally graded shells consist of two constituent ceramic and metal that graded through the radial direction according to a specific distribution. Material properties like young’s modulus are specific function of radius. Elastic analysis for cylindrical shell is carried out to find radial stress, radial displacement, circumferential stress and von Mises stress along the radial direction for three arbitrary boundary conditions. Validation of elastic analysis is shown by comparing the results with special case in other literatures. A Multi objective genetic algorithm (NSGA-II) is implemented to optimize the volume fraction variables to reach the optimization purposes. By applying the constrained multi-objective genetic algorithm, with the aims of minimizing mass and maximum Von-Misses stress in the cylinder, a chart of the Pareto front is obtained. By selecting one of the optimal points of the graph, a distribution profile can be obtained. Problem is solved for three arbitrary conditions. The results are shown separately for every condition and then compared with each other. After analyzing and finding the optimal profile, a prototype model is built that tried to match up with theoru with existing facilities. Finally, theoretical and experimental results are compared and experimental error is determined. Finally, after analyzing and finding the optimal profile, a prototype model built that we tried to match up with theory. Keywords: FGM, Cylinder, Optimization, Volume fraction, Genetic algorithm