18709

۱۸۷۰۹

كنترل تلاطم سيال در مخازن با اجزاي انعطاف‌پذير هوشمند

دكتري تخصصي

طراحي كاربردي

ارديبهشت ۱۳۹۶

دكتر سيدمحمد هاشمي نژاد

مكانيك

در اين رساله، ابتدا بر مبناي نظريه‌ي پتانسيل خطي، مدل‌هايي دو بعدي ارائه شده‌اند كه براي بررسي نوسان اجباري سطح آزاد سيال در مخازن استوانه‌اي پر شده از سيال تا عمق دلخواه و داراي بافل‌هاي افقي يا عمودي، از آن‌ها استفاده شده است. در ادامه، تحليل هيدرو-الاستيك سه بعدي دقيق جهت بررسي تلاطم سيال در يك مخزن استوانه‌اي انعطاف پذير ايستاده، مخزن استوانه‌اي مستقر بر بستر الاستيك و يك مخزن مستطيلي كه در آن‌ها سطح آزاد سيال بوسيله يك ورق شناور سه لايه پيزوالكتريك پوشانده شده است، ارائه گرديده است. فرمولبندي مسائل بر اساس تئوري پتانسيل خطي، مدل كلاسيك پوسته و ورق نازك (كرشهف/ساندرز)، معادله الكتروديناميك ماكسول، تبديل استوكس و بسط توابع ويژه در مختصات استوانه‌اي (يا كارتزين) استوار مي‌باشد. عملكرد كنترلي با تركيب پسخورد حجم سرعت و حجم جابجايي با روش ميرايي فعال (يا روش تناسبي-مشتقي-انتگرالي) كه به كمك روش بهينه سازي به منظور نيل به پارامترهاي كنترلي بهينه و كاهش حداكثري اهداف كنترلي، بهينه سازي شده است، بدست آمده است. پاسخ گذراي كنترل شده و كنترل نشده سيستم هيدروالاستيك تحت تحريك خارجي مختلف ( تحريك پايه هارمونيك، تحريك زلزله (دوجهته)، داده هاي تله متري پروازي و پالس عرضي بر سطح ورق شناور)، به كمك روش معكوس تبديل لاپلاس دوربين بدست آمده است. بعلاوه نوسانات آزاد سيستم برهمكنش سازه/سيال به تفصيل مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج رساله حاضر نشان داده كه بكارگيري يك جفت بافل افقي جانبي با طول زياد كارايي بالايي در تمامي عمق‌ها جهت افزايش فركانس‌هاي طبيعي سيستم دارد. اما در تلاطم واداشته، عملكرد كنترل غير فعال به شدت به ماهيت تحريك خارجي وابسته بوده و مي‌تواند منجر به افزايش اثرات زيانبار تلاطم شود در حاليكه در كنترل فعال عملكرد كنترل كننده تحت تاثر تحريك خارجي قرار ندارد. به علاوه نتايج بدست آمده نشان مي‌دهند كه جابجايي‌ها و تنش سازه تحت اثر كنترل كننده ميرايي فعال بهينه شده به روش تجمع ذرات، %3 تا %5 بيشتر از حالت استفاده از روش الگوريتم ژنتيك كاهش مي‌يابد. بنابراين در مسائل كنترلي برهمكنش سازه/سيال مورد بررسي، روش بهينه سازي تجمع ذرات از لحاظ همگرايي و محاسبات عددي بر روش الگوريتم ژنتيك غير مغلوب برتري نسبي دارد. به عنوان مهمترين نتيجه مشخص گرديد كه استفاده از ورق شناور هوشمند، همراه با روش كنترل ميرايي فعال و با استفاده از بهينه‌سازي هدفمند پارامترهاي كنترلي، بدون توجه به هندسه مخزن و نوع بارگذاري، مي‌تواند اثرات قابل ملاحظه‌اي بر كاهش اثرات زيان‌بار تلاطم سيال در مخازن داشته باشد و به عنوان يك روش موثر در كاربردهاي عملي مورد استفاده قرار گيرد. همچنين، مدل تحليلي كوپل كامل پيشنهادي مي‌تواند به شكل مناسب خصوصيات برهم‌كنش ميان نوسانات سازه و سيال داخل مخزن را توصيف كند. به علاوه مدل ارائه شده از نظر آكادميك و صنعتي داراي اهميت بوده و به عنوان يك مسئله پايه در حل مسائل هيدروالاستيك تلقي مي‌شود. در پايان، روش كنترل فعال پيشنهادي، قابليت كاربرد جهت كاهش موثر اثرات تلاطم سيال خصوصا در وسايل حمل‌ونقل فضايي، موشك‌هاي حامل و همچنين مخازن نگه‌داري سوخت را دارا مي‌باشد. در تمام مراحل اين پژوهش، اعتبار مدل‌ها و نتايج ارائه شده با نرم افزارهاي تجاري و نتايج عددي/تجربي موجود، در حالت كلي و حالت‌هاي حدي مورد توجه قرار گرفته و تطابق مناسبي با نتايج حاضر به دست آمده است.

1396/12/21

3/12/2018 12:00:00 AM

In this thesis, first, based on linear potential theory, two-dimensional models are presented that has been used to investigate the free surface forced vibration in arbitrary fliud-filled tank with a horizontal or vertical Baffle. In addition, detailed three-dimensional hydro-elastic analysis of a flexible vertical cylindrical tank, cylinderical tank resting on elastic fundasion and 3d rectangular tank in which the free surface of the fluid is covered by a three-layer piezoelectric floating panel is peresented. The problem formulation is based on the linear water wave theory, the classical (Kirchhoff/Sanders) thin plate and shell models, Maxwell's equations of electrodynamics, Stokes’ transformation, and eigen-function expansions in cylindrical (or catesina) coordinates. The control action is achieved by combined volume displacement and volume velocity feedbacks (VDF, VVF) implemented in a second-order active damping (AD) compensator (or PID controller) via competent evolutionary heuristic optimization techniques that systematically tune the controller gain parameters while constraining the floating panel displacement and control voltage. The uncontrolled and controlled transient responses of the coupled hydro-elastic system under various external disturbances (i.e., a harmonic base excitation, a real seismic event (lateral and bi-directional), a severe launch vehicle liftoff event, and a distributed impulsive transverse load on the floating panel) are calculated by means of Durbin’s numerical inverse Laplace transform scheme. Moreover, the free vibration characteristics of the coupled fluid/structure interaction (FSI) system are briefly studied. The superior performance of the proposed active floating roof control configuration in effective suppression of the key hydro-elastic parameters (panel displacement, and shell displacements/stresses) is demonstrated. It is also presneted that, in the current FSI control problems, the Multi-objective Particle Swarm Optimization (MOPSO)-based ADC outperforms the Non-dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II)-based method, in terms of convergence rate and computational effort. Limiting cases are examined and the precision of results is verified by comparisons with the existing data as well as with the results produced by a commercial finite element package.