28561

بهينه سازي رفتار ويبرو-آكوستيكي ساندويچ پنلهاي ابر ماده در بدنه قطارهاي مسافري پرسرعت

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي راه‌آهن- ماشين‌هاي ريلي

1396

1401/3/11

داود يونسيان

دانشكده مهندسي راه‌آهن

نويز و ارتعاشات داخلي قطار مستقيماً با كيفيت راحتي سفر در ارتباط است. بخش زيادي از اين نويز/ارتعاشات مربوط به نويز/ارتعاشات سازه‌اي پنل‌هاي به‌كاررفته در بدنه قطار است كه در موارد متعددي به عنوان منبع غالب نويز/ارتعاشات بر عدم راحتي مسافر تأثيرگذارند. در اين رساله به‌كارگيري ابر مواد آگزتيك، با هدف رفع و يا كاهش مسئله نويز و ارتعاشات سازه‌اي پنلهاي مورداستفاده در بدنه قطار مسافري موردنظر مي‌باشد. به اين منظور، الگوهاي آگزتيك به‌عنوان هسته و يا يك‌لايه از ساختار ساندويچ پنل جهت بهينه‌سازي رفتار ويبروآكوستيكي مورد استفاده قرار گرفته‌اند. دو نوع ساختار متداول آگزتيك كه با نام‌هاي چيرال و هگزاگونال شناخته مي‌شوند، در اين تحقيق مورداستفاده قرارگرفته‌اند. شبيه‌سازي ساندويچ پنل با استفاده از روش المان محدود انجام‌گرفته است. پس از شبيه‌سازي، آناليز مودال، تحليل هارمونيك و تحليل طيفي در نرم‌افزار المان محدود اجرا ‌شده‌اند. در ابتدا يك تحليل پارامتريك به‌منظور بررسي تأثيرات شرايط مرزي، پارامترهاي هندسي و طيف بار ورودي بر رفتار ويبروآكوستيكي ساندويچ پنل، انجام‌گرفته است. در اين مرحله، مشاهده شده است كه اين پارامترها تأثير پيچيده‌اي بر فركانس‌هاي طبيعي، تراز صداي منتشرشده و وزن سيستم مي‌گذارند كه اين پيچيدگي نشان‌دهنده اهميت بهينه‌سازي است. سپس بهينه‌سازي هندسي لايه آگزتيك به‌منظور رسيدن به بهترين عملكرد ويبروآكوستيكي انجام‌گرفته است. پياده‌سازي مسئله بهينهسازي، از طريق متصل كردن نرم‌افزار المان محدود به نرم‌افزار برنامه‌نويسي متلب انجام گرفته كه الگوريتم بهينه‌سازي در آن تعريف شده است. در مسائل بهينه‌سازي براي كاهش زمان اجراي مسئله، از يك مدل‌سازي هموژن استفاده‌شده است. نتايج نشان مي‌دهند كه الگوريتم بهينه‌سازي به منظور رسيدن به پايينترين پاسخ ويبروآكوستيكي و كمترين وزن، يك گراديان بهينه در توزيع هندسي و توزيع خواص مكانيكي لايه آگزتيك ايجاد مي‌كند. همچنين به منظور كنترل پاسخ ويبروآكوستيكي در حوزه فركانس، يك توزيع از رزوناتورهاي محلي به سازه اضافه شده تا به‌عنوان سيستم جاذب ارتعاشات عمل كنند. بهينه‌سازي اين سيستم جاذب باعث كنترل پاسخ ويبروآكوستيكي روي يك باند فركانسي عريض (حدود 60 هرتز) گرديده است. استفاده از ساختار آگزتيك با ساختار هندسي بهينه، باعث بهبود قابل‌ملاحظه‌اي در پاسخ ويبروآكوستيكي هم‌زمان با كاهش وزن پنل ميگردد كه براي قطار مورد نظر در حدود يك واحد افزايش در كيفيت راحتي سفر به دست آمده است. از جمله نوآوري‌هاي اين رساله مي‌توان به استفاده از ساختارهاي ابر ماده در صنعت ريلي و با هدف كاهش نويز و ارتعاشات اشاره كرد كه بهينه‌سازي‌هاي مختلفي به منظور رسيدن به كمترين پاسخ ارتعاشي به ازاي كمترين افزايش وزن اجرا شده است. استفاده از گراديان در خواص هندسي و مكانيكي سازه كه منجر به كاهش نويز/ارتعاشات موضعي شده است، نوآوري ديگري اين رساله مي‌باشد. همچنين بهينه‌سازي هندسي ساختارهاي ابر ماده تحت بارگذاري اتفاقي، كنترل موضعي پاسخ ويبروآكوستيكي و استفاده از سيستم جاذب ارتعاشات با توزيع بهينه براي كنترل پاسخ ويبروآكوستيكي در محدوده عريض فركانس پايين در اين رساله براي اولين بار انجام‌گرفته اند.

1402/05/03

Optimization of the vibro-acoustic behavior of metamaterial sandwich panels in the body of high-speed passenger trains

6/1/2023 12:00:00 AM

The internal noise and vibrations of the train are directly related to the quality of travel comfort. A large part of this noise/vibrations is related to the structural noise/vibrations of the panels used in the train body, which in many cases affect the passenger's discomfort as the dominant source of noise/vibrations. In this thesis, the use of metamaterials is aimed at reducing the problem of noise and vibrations of the panels used in the body of the passenger train. For this purpose, auxetic patterns have been used as a core or a single layer of the sandwich panel structure to optimize the vibroacoustic behavior. Two types of commonly used auxetic structures, known as chiral and hexagonal, have been used in this thesis. Sandwich panel simulation has been done using the finite element method. After simulation, modal analysis, harmonic analysis and spectral analysis have been implemented in finite element software. First, a parametric analysis has been performed to investigate the effects of boundary conditions, geometrical parameters and input load on the vibroacoustic behavior of the sandwich panel. At this point, it has been observed that these parameters have a complex effect on the natural frequencies, emitted sound level and system weight, which shows the importance of optimization. Then geometrical optimization of the auextic layer has been done in order to achieve the best vibroacoustic performance. The implementation of the optimization problem was done by connecting the finite element software to the MATLAB programming software in which the optimization algorithm is defined. In optimization problems, a homogeneous modeling is used to reduce the solving time. The results show that the optimization algorithm in order to achieve the optimum vibroacoustic response and the weight, creates an optimal gradient in the geometric distribution and distribution of the mechanical properties of the axetic layer. Also, in order to control the vibroacoustic response in the frequency domain, a distribution of local resonators has been added to the structure to act as a vibration absorbing system. The optimization of this absorber system has allowed the control of the vibroacoustic response on a wide frequency band (about 60 Hz). The use of an auxetic structure with an optimal geometrical structure causes a significant improvement in the vibroacoustic response at the same time as reducing the weight of the panel. Among the innovations of this thesis, we can mention the use of metamaterial structures in the railway industry with the aim of reducing noise and vibrations, and various optimizations have been implemented in order to achieve the lowest vibration response for the lowest increase in weight. The use of gradient in the geometric and mechanical properties of the structure, which has led to the reduction of local noise/vibrations, is another innovation of this thesis. Also, geometrical optimization of metamaterial structures under random loading, local control of vibroacoustic response and use of vibration absorber system with optimal distribution to control vibroacoustic response in a wide range of low frequency have been done in this thesis for the first time.

پنل كف قطار , ساختارهاي آگزتيك و ابرمواد , سيستم‌ جاذب ارتعاشات , نويز و ارتعاشات , بهينه‌سازي ويبروآكوستيكي , تحليل طيفي

Train floor panel , auxetic structures and metamaterials , vibration absorbing system , noise and vibrations , vibroacoustic optimization , spectral analysis

Ali Hosseinkhani

Dr. Davood Yoonesian