27873

كنترل فعال ارتعاشي-آكوستيكي سازه هاي دوجداره هوشمند هيبريدي

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مكانيك- طراحي كاربردي ـ ارتعاشات و كنترل

1394

1400/10/21

سيدمحمد هاشمي‌نژاد

مهندسي مكانيك

سازه¬ها هنگامي كه تحت تاثير بارهاي متغير با زمان قرار مي گيرند، ارتعاش مي كنند و امواج آكوستيكي توليد مي¬كنند. مشخصه¬هاي اين امواج آكوستيكي ممكن است به رفتار ارتعاشي سازه وابسته باشد كه مي¬تواند به عوامل مختلفي مانند خواص مكانيكي سازه، نوع بار، مكان بار، شرايط مرزي، و هندسه سازه بستگي داشته باشد. امروزه بحث كنترل ارتعاشي-آكوستيكي سازه¬ها به موضوع مهم و اساسي در صنايع هوايي، دريايي، ساختماني، و نظامي مبدل شده است. در اين پژوهش يك مدل تحليلي براي كنترل فعال/نيمه¬فعال ارتعاشي-آكوستيكي سازه¬هاي دوجداره هوشمند هيبريدي شامل عملگرهاي پيزوالكتريك و الكترورئولوژيكال تحت برخورد امواج صوتي ارائه شده است. سازه¬هاي دوجداره مورد نظر در اشكال هندسي استاندارد مانند ورق مستطيلي، پوسته¬ استوانه¬اي، و پوسته¬ كروي درنظر گرفته شده¬اند. همچنين پيكربندي¬هاي تركيبي از مواد پيزوالكتريك به عنوان عملگر فعال و سيال الكترورئولوژيكال به عنوان عملگر نيمه¬فعال در ساختار سازه¬هاي ساندويچي دوجداره بكار رفته است. معادلات ديناميكي سازه¬ها با استفاده از فرضيه ميدان جابجايي كلاسيك، معادلات الكتروديناميك ماكسول ، روابط ويسكوالاستيك كلوين ويت و اصل هميلتون استخراج شده¬اند و همراه با شرايط مرزي سيال/سازه معادلات نهايي كوپل شده را تشكيل مي‌دهند. با استفاده از بسط‌هاي سري فوريه فشار¬هاي صوتي ورودي، برگشتي و خروجي و ميدان¬هاي جابجايي سازه¬ها و استفاده از روش گالركين، معادلات ديناميكي گسسته¬سازي شده و به فرم ماتريس حالت در مي‌آيند. پديده¬هاي ارتعاشي-آكوستيكي مانند افت انتقال صوت از ورق مستطيلي دوجداره و پوسته استوانه¬اي دوجداره و پراكنش صوتي از پوسته كروي دوجداره هوشمند هيبريدي مورد بررسي قرار گرفته¬اند. متعاقبا از الگوريتم كنترلي مود لغزشي چندورودي-چندخروجي استفاده شده است تا برمبناي عملكرد مشاركتي فعال/نيمه‌فعالِ المان‌هاي عملگر، قابليت بهبود رفتار ارتعاشي-آكوستيكي سازه-هاي دوجداره هوشمند هيبريدي فراهم شود. شبيه‌سازي‌هاي عددي در اين پژوهش نشان داد كه حالت هيبريدي دوجداره فعال/نيمه¬فعال پيزوالكتريك/الكترورئولوژيكال و الكترورئولوژيكال/پيزوالكتريك (كه داراي عملكرد بالا، دقت، قابليت اطمينان و مصرف انرژي كم مي¬باشد) قادر به بهبود افت انتقال صوت از ورق مستطيلي و پوسته استوانه¬اي به ميزان قابل توجهي نسبت به حالت تمام فعال پيزوالكتريك/پيزوالكتريك با صرف انرژي كمتر است. همچنين، اثربخشي و قابليت‌هاي سيستم هيبريدي هوشمند پيشنهادي به‌منظور تحقق‌بخشي پنهان‌سازي آكوستيكي در پوسته كروي دوجداره نسبت به ميدان صوتي برخوردكننده در فركانس‌هاي منتخب بررسي شده است. به‌ويژه، قابليت‌هاي برتر اختفاي آكوستيكي در پيكربندي‌هاي پيزوالكتريك/الكترورئولوژيكال و الكترورئولوژيكال/الكترورئولوژيكال، ضمن توجه به مزيت انرژي فعال‌سازي پايين در عناصري كه از الكترورئولوژيكال بهره مي‌برند، نشان داده شده است. ضمنا صحت روابط بدست آمده براي مدل¬هاي درنظر گرفته شده براي سازه¬هاي دوجداره در مقايسه با داده‌هاي موجود و نيز شبيه‌سازي‌هاي دقيق با نرم¬افزار كامسول به‌صورت سيستماتيك اثبات شده است.

1401/11/30

Active Vibroacoustic Control of Hybrid Smart Double-walled Structures

1/1/1900 12:00:00 AM

Structures vibrate and generate acoustic waves when exposed to time-varying loads. The characteristics of these acoustic waves depend on the vibrational behavior of the structure, which itself depend on various factors such as the mechanical properties of the structure, load type and position, boundary conditions, and structure geometry. Today, the vibroacoustic control of structures has become an important problem in the aerospace, marine, construction, and military industries. In this research, an analytical model for the active/semi-active vibroacoustic control of hybrid intelligent double-walled structures incorporating piezoelectric and electrorheological actuators under the impact of sound waves is presented. The double-walled structures are considered in standard geometric shapes such as rectangular plate, cylindrical shell, and spherical shell. Also, hybrid configurations of piezoelectric materials (as active actuators) and electrorheological fluid (as semi-active actuators) are implemented in the double-walled sandwich structures. The dynamic equations of the structures are derived assuming the classical displacement field, Maxwell's electrodynamic equations, Kelvin-Voigt viscoelastic relations, and Hamilton’s principle, leading to the final coupled equations when combined with the fluid-structure boundary conditions to form the final coupled equations. Using the Fourier series expansions of the incoming, reflected and outgoing acoustic pressures, the structural displacement field, and the Galerkin method, the dynamic equations are discretized and transformed into the state-space matrix. Vibroacoustic phenomena such as sound transmission loss from double-walled rectangular plates and double-walled cylindrical shells and sound scattering from hybrid intelligent double-walled spherical shells are investigated. Subsequently, the multi-input-multi-output sliding mode control strategy is used to provide the ability to improve the vibroacoustic behavior of hybrid intelligent double-walled structures based on the collaborative active/semi-active performance of operating elements. Numerical simulations show that the hybrid active/semi-active piezoelectric/electrorheological and electrorheological/piezoelectric double-walled cases (which exhibit a high performance, accuracy, reliability and low energy consumption) can improve the sound transmission loss from the rectangular plate and cylindrical shell compared with the fully active piezoelectric/piezoelectric case using less energy consumption. Also, the effectiveness and capabilities of the proposed intelligent hybrid system for acoustic cloaking in the double-walled spherical shell with respect to the impinging sound field at selected frequencies are investigated. In particular, the superior acoustic attenuation capabilities in piezoelectric/electrorheological and electrorheological/electrorheological configurations are demonstrated considering the advantage of low activation energy in elements using electrorheological fluid. In addition, the accuracy of the obtained equation for the models of double-walled structures are demonstrated through a set of comparisons with the available data and comprehensive simulations in COMSOL Multiphysics.

كنترل فعال/نيمه فعال صدا , سازه هاي دوجداره كامپوزيتي هوشمند هيبريدي , پنهان ساز آكوستيكي , عايق صوتي باند پهن

Active/semi-active noise control , Hybrid smart double-walled structures , Acoustic cloaking , Broadband sound insulation

Ali Jamalpoor

Dr. Hasheminezhad