21136

۲۱۱۳۶

مطالعه و مدل سازي فرامواد در سامانه‌هاي جاذب ارتعاش ريل

كارشناسي ارشد

ماشين هاي ريلي

۱۳۹۵

۱۳۹۸/۴/۴

دكتر داود يونسيان

راه آهن

چكيده فرامواد، ساختارهاي مصنوعي با خواص غيرعادي هستند. در واقع فرامواد ساختارهايي هستند كه به‌صورت مصنوعي مهندسي مي‌شوند تا پديده‌هاي فيزيكي مانند نور، صدا، ارتعاش و غيره را كنترل كرده و يا تغيير دهند. اين ساختارها قادر به خم كردن، تغيير دادن، جذب كردن و بلوكه كردن امواج آكوستيكي و الاستيكي هستند. روش‌هاي زيادي براي ميرا كردن ارتعاشات وجود دارد. رايجترين آن‌ها اضافه كردن لايه‌هاي ميراگر به ساختار مرتعش است كه باعث تضعيف موج‌هاي در حال انتشار ميشود. يكي از كاربردهاي فرامواد جلوگيري از انتشار ارتعاشات است. فرامواد آكوستيكي با استفاده از مفهوم جرم و سختي منفي، داراي خاصيتي به نام باند توقف هستند. براي فركانس¬هاي تحريكي كه داخل اين باند توقف بوده هيچ عدد موج مثبت و حقيقي وجود ندارد و درنتيجه موج الاستيك با چنين فركانسي در داخل فراماده منتشر نخواهد شد. در اين تحقيق برخي از ساختارهاي فرامواد آكوستيكي در دو دسته كلي تيرها و صفحات مورد بررسي قرار گرفتند. از بين مدل¬هاي موجود مدل تير داراي دو لايه جرم_فنر_دمپر انتخاب شده و تمامي نتايج با استفاده از كدنويسي به روش المان حدود در نرم¬افزار متلب عينا محاسبه شدند. چنين تيري داراي دو باند توقف بوده و با بررسي نمودار انتشار موج الاستيك در طول تير، ميرايي موج در فركانس¬هاي داخل باند توقف به‌وضوح مشاهده گرديد. در ادامه تغييراتي در مدل موجود ايجاد گرديد. از جمله اين تغييرات مي‌توان به اضافه نمودن فنر و دمپرهايي ميان جرم¬هاي هر لايه و همچنين ميان لايه¬ها اشاره نمود. اين امر منجر به باريك‌تر شدن باندهاي توقف و انتقال آن‌ها به سمت فركانس¬هاي بالاتر گرديد. دومين تغيير مهمي كه در مدل مورد مطالعه ايجاد شد، افزودن لايه سوم جرم¬-فنر-دمپر است و با افزودن لايه جديد، يك باند توقف به باندهاي قبلي اضافه مي¬شود. در نتيجه چنين تيري قادر به فيلتر كردن 3 باند فركانسي خواهد بود. نهايتاً از يك مدل تير فراماده¬اي براي كاهش انتقال ارتعاشات ناشي از قطار در حال حركت به ساختمان¬هاي اطراف استفاده شده است. نتايج حاكي از وجود سه باند توقف و كارايي تير طراحي شده براي كاهش ارتعاشات ناشي از قطار در حال حركت در سه فركانس رايج است. كلمات كليدي: فرامواد آكوستيكي، باند توقف، جرم منفي، ارتعاشات، روش المان محدود.

1398/07/13

Study and Modelling of Metamaterials as Rail Vibration Absorption System

10/5/2019 12:00:00 AM

Abstract Metamaterials are artificial structures with unnatural properties. They can manipulate or control light, noise, and vibration. These structures are able to bend, absorb, and block the acoustic and elastic waves. Many ways are available in order to damp vibrations. The more common one is adding absorber layer to the main structure which suppresses the propagating elastic wave. An acoustic metamaterial uses negative mass and negative stiffness to generate Stopband. For the frequencies in the stopband, there is no positive real amount for wave number, and accordingly, elastic wave with such frequency can not propagate in the metamaterial. In this study, some metamaterial structures are investigated, and one of them is chosen in order to be studied more detailed and used for reducing the vibration transferred from trains to the adjacent buildings. The problem is solved by the Finite Element Method for a Euler-Bernoulli beam. The results showed a good effect of metamaterial beam on propagating elastic waves and work properly in three stopbands, which include three purpose vibration frequencies caused by moving a train. Key words: Acoustic Metamaterials, Stopband, Negative mass, Negative stiffness, Vibration, Finite Element Method.