شماره ركورد
33479
پديد آورنده
علي كسايي ثاني
عنوان
طراحي، مدلسازي و تحليل عملكرد پنهان ساز هاي كروي هيبريدي هوشمند چندمورفي پيزو-ويسكوالاستيك پهن باند بر مبناي تئوري الاستيسيته سه بعدي
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
سال تحصيل
1396
تاريخ دفاع
1404/03/11
استاد راهنما
سيد محمد هاشمي نژاد
استاد مشاور
/
دانشكده
مهندسي مكانيك
چكيده
رساله حاضر شامل طراحي، مدلسازي و تحليل نتايج حاصله براي سه پيكربندي بديع كاربردي پهن باند با هندسه كانونيك پايه اي كروي متشكل از مواد هوشمند چند مورفي پيزو-ويسكوالاستيك جهت استتار آكوستيك زير آب براساس رويكرد تعامل الاستو-آكوستيك سه بعدي مي باشد. در مسئله اول، كنترل هيبريدي وايبروآكوستيك يك پوسته¬ كروي هوشمند ساندويچي مستغرق در آب و پر شده از هوا با بكارگيري مواد هوشمند نيمه فعال و يا تمام فعال براي دو حالت جدار نازك و جدار ضخيم مدلسازي نظري، بررسي و تحليل مي گردند. پيكربندي ساندويچي مذكور، شامل لايههاي پوسته عملگري بايمورف پيزوالكتريك (PZT) با آرايش قطبيدگي سري و موازي، متصل به لايهي هستهاي مايع الكترورئولوژيكي نيمه فعال (ERF) مي¬باشد. دو فرمول بندي الاستو-آكوستيك كوپل شده جداگانه، به طور سيستماتيك توسعه يافته اند. مدل اول مبتني بر اصل تغييراتي هاميلتون مكانيك سازه و تئوري پوسته نازك كيرشوف-لاو است، كه از رويكرد استاندارد كنترل مود لغزشي (SMC)، براي فعال كردن قابليت ميراكنندگي پراكنش صوتي ساختار هيبريدي در آن استفاده بعمل مي¬آيد. مدل دوم مبتني بر تئوري دقيق پيزوالاستيسيته سه بعدي و رويكرد ماتريس انتقال فضاي حالت كلاسيك، همراه با استراتژي كنترل ميرايي فعال (ADC)، ايجاد شده است. شبيهسازيهاي عددي گسترده نشان ميدهد كه بهترين عملكرد ميراكنندگي پراكنش پهن باند را ميتوان بهطور موثر با پوسته كروي پنهانگر پيزو-ساندويچ بايمورف هيبريدي هوشمند فعال/نيمه فعال كه در حالت قطبيدگي موازي كار ميكند، به دست آورد. همچنين، به منظوركمي سازي ميزان كارايي عملكرد كلي پنهان سازي، درصد خطا (Err %) ميدان فشار صوتي خارجي كل نسبت به ميدان فشار عارض در محدوده هاي بسامدي بحراني ناشي از تشديدهاي سازه¬اي محاسبه ميشود. نتايج بدست آمده كارايي پنهان سازي موثر پوسته جداره ضخيم (25%) هوشمند هيبريدي در نواحي فركانسي متوسط تا بالا را نشان مي دهد (5/1Err < %)، در حاليكه اين عملكرد در يك باند باريك بسامدي پايين، عمدتاً به دليل تشديدهاي كوپله الاستوآكوستيكي تا حدودي (8 Err < %) كاهش مي يابد. از سوي ديگر، نتايج بدست آمده كارايي موثر پنهان سازي پوسته جداره نازك (7%) هوشمند هيبريدي را عمدتاً در محدوده بسامدي پايين نشان مي¬دهد (5/1Err < %)، در حالي كه اين عملكرد استثنايي به تدريج با افزايش فركانس موج عارض تا حدودي (5/6Err < %) كاهش مي يابد. در مسئله دوم، يك پيكربندي پوسته كروي هيبريدي فعال/نيمه فعال متشكل از لايههاي متناوب همسان پيزوالكتريك و ويسكوالاستيك هوشمند (PZT/SVE) پيشنهاد شده است كه قابليت پنهان سازي مؤثر يك جسم سهبعدي ماكروسكوپي زيرآبي را از امواج صوتي عارض باند پهن دارا مي باشد. ساختار هيبريدي هوشمند پيشنهادي شامل توالي محدودي از لايههاي چندمورفي PZT كاملاً فعال و متصل بصورت موازي است كه با لايههاي مياني مواد نيمهفعالSVE در چارچوب يك كنترل كننده فعال ميراكننده چندورودي-چندخروجي(MIMO-ADC) كه برمبناي الگوريتم بهينهسازي ازدحام ذرات (PSO) بهينه شده است، عمل مي كند. مدلسازي الاستوآكوستيك مسئله با استفاده از روش فضاي حالت مكاني بر اساس نظريه دقيق سهبعدي پيزوالاستيسيته كلاسيك توام با معادلات موج براي حوزههاي آكوستيك داخلي و خارجي انجام شده است. عملكرد استتار آكوستيكي پيكربندي پيشنهادي براي چهار دسته مختلف از مواد لايههاي مياني SVE با خواص رئولوژيكي قابل تنظيم (وابسته به ميدان) شامل الاستومر مگنتورئولوژيكال (MRE)، پليمر حافظهدار (SMP)، سيال الكترورئولوژيكال (ERF) و سيال صيقل غليظشونده برشي مگنتورئولوژيكال (MRSTPF) ارزيابي شده است. نتايج بدست آمده افت قابل توجه دامنه تابع پس پراكنش آكوستيكي در ميدان دوردست (|f_∞ (θ=π,k_ex R_(ex ) )|) و همچنين كاهش درصد خطاي پنهان سازي ميدان آكوستيك خارجي(%Err)، با بكارگيري تعداد كافي از لايههاي چندمورفي مواد هوشمند PZT/SVE را نشان مي دهد. علاوه بر اين، بكارگيري لايه مياني مبتني بر ماده MRSTPF در پيكربندي پنهان گر صوتي، حتي در حالت كاملاً غيرفعال، مي¬تواند به عنوان جايگزين مناسبي براي لايه هوشمندSVE در محدوده بسامدهاي پائين، بدون مصرف هيچ انرژي خارجي موثر واقع گردد. در ادامه، با توجه به اينكه پنهان سازي شبه كامل پهن باند سه بعدي و تمام جهته در پيكربندي¬هاي پيشنهادي مسئله دوم با بكارگيري تعداد نسبتا زياد لايه¬هاي فعال-نيمه فعال هوشمند (N_max=31) محقق گرديده است، در پيكربندي پوسته كروي هيبريدي هوشمند فعال/نيمه فعال مسئله سوم از لايههاي متناوب ناهمسان چند مورفي پيزوالكتريك - ويسكوالاستيك با چينش بهينه (PZT/OSVE) به منظور به حداقل رساندن تعداد كل لايه هاي پيكربندي پنهان ساز شبه كامل پهن باند و همچنين تعديل هزينه هاي محاسباتي و پياده سازي تجربي استفاده شده است. در اين راستا، مشاهده شدكه با بكارگيري پيكربندي بهينه هفت لايه ناهمسان مي توان بيشينه درصد خطاي پنهان سازي (%Err) را در كل محدوده بسامدي از هشت درصد به زير يك درصد (يا همان پنهان سازي شبه كامل) كاهش داد. از سوي ديگر، نتايج بدست آمده نشان مي دهد كه تحقق پنهان سازي پهن باند شبه كامل (%Err <1) در پيكربندي همسان مستلزم بكارگيري حداقل 31 لايه هيبريدي هوشمند فعال/نيمه فعال و در پيكربندي بهينه ناهمسان نياز به تنها 7 لايه هيبريدي هوشمند فعال/نيمه فعال مي باشد. همچنين، تحليل نتايج حساسيت عملكرد پنهان سازي نسبت به چينش مواد هوشمند ويسكوالاستيك در بدنه پنهان¬ساز نشان مي دهد كه بكارگيري مواد الاستومر مگنتورئولوژيكال (MRE) و ويسكوالاستيك متعارف غيرفعال (VE) در لايه هاي داخلي تر و بكارگيري ماده پليمرحافظه شكل (SMP) در لايه هاي خارجي تر پيكربندي بهينه، زمينه مساعدتري براي تحقق پنهان سازي شبه كامل پهن¬باند سه بعدي و تمام جهته فراهم مي سازد. در پايان، نتايج مطالعه پيشنهادي ميتواند به عنوان گامي مهم به سوي توسعه عملي و پيادهسازي تجربي ابزار هوشمند استتار آكوستيكي با كارايي بالا، جهت پنهان¬سازي شبه¬كامل همهجهته پهن¬ باند براي اجسام سهبعدي، با اشكال مختلف، بدون اتكا بر فرامواد نامتعارف لحاظ گردد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/04/11
عنوان به انگليسي
Design, modeling and performance analysis of broadband smart hybrid multi-morph piezo-viscoelastic spherical shell cloaks based on 3D elasticity theory
تاريخ بهره برداري
6/1/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
علي كسايي ثاني
چكيده به لاتين
This thesis involves the design, modeling, and analysis of results for three novel, practical broadband configurations with a base spherical canonical geometry, composed of multi-morphic piezo-viscoelastic smart materials, for underwater acoustic cloaking based on a three-dimensional elasto-acoustic interaction approach. In the first problem, the hybrid control of vibro-acoustics of a smart sandwich spherical shell submerged in water and filled with air is theoretically modeled, examined, and analyzed using semi-active or fully active smart materials for both thin-walled and thick-walled cases. The mentioned sandwich configuration includes layers of bimorph piezoelectric (PZT) actuator shells arranged in series and parallel polarization, connected to a semi-active electro-rheological fluid (ERF) core layer. Two separate coupled elasto-acoustic formulations have been systematically developed. The first model is based on the variational principle of structural mechanics and the Kirchhoff-Love thin shell theory, utilizing the standard sliding mode control (SMC) approach to activate the sound scattering cancelation capability of the hybrid structure. The second model is based on the theory of three-dimensional piezo-elasticity and the classical state-space transfer matrix approach, combined with an active damping control (ADC) strategy. Extensive numerical simulations show that the optimal performance of broadband scattering cancelation can be effectively achieved with an active/semi-active smart hybrid bimorph piezo-sandwich cloaking spherical shell operating in a parallel polarization state. Furthermore, in order to quantify the overall performance efficiency of the cloaking, the error percentage (Err %) of the total external acoustic pressure field relative to the incident acoustic pressure field is calculated in the critical frequency ranges resulting from structural resonances. The obtained results demonstrate the effective cloaking performance of the thick wall smart hybrid shell (25%) in the medium to high frequency regions (Err < 1.5%), while this performance is somewhat reduced (Err < 8%) in a narrow low frequency band, primarily due to elasto-dynamic coupling resonances. On the other hand, the obtained results demonstrate the effective cloaking performance of the thin wall smart hybrid shell (7%) mainly in the low frequency range (Err < 1.5%), while this exceptional performance gradually decreases somewhat (Err < 6.5%) with increasing wave frequency. In the second issue, an active/semi-active hybrid spherical shell configuration composed of homogeneous alternating piezoelectric and smart viscoelastic layers (PZT/SVE) is proposed, which has the capability to effectively cloak a macroscopic three-dimensional underwater object from broadband acoustic incident waves. The proposed smart hybrid structure consists of a finite sequence of fully active PZT multi-morph layers connected in parallel, which act in conjunction with intermediate layers of semi-active SVE materials within the framework of a Multi-Input-Multi-Output Active Damping Controller (MIMO-ADC) optimized based on a Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm. The elasto-acoustic modeling of the problem has been conducted using the spatial state space method based on the classical three-dimensional piezo-elasticity theory combined with wave equations for the internal and external acoustic fields. The acoustic cloaking performance of the proposed configuration has been evaluated for four different categories of SVE intermediate layer materials with adjustable rheological properties (i.e. field-dependent), including Magnetorheological Elastomer (MRE), Shape Memory Polymer (SMP), Electrorheological Fluid (ERF), and Magnetorheological Shear Thickening Polishing Fluid (MRSTPF). The obtained results indicate a significant decrease in the range of the Far-field backscattering form function amplitude |f_∞ (θ=π,k_ex R_(ex ) )|), as well as a reduction in the percentage of cloaking errors in the external acoustic field (%Err), by employing a sufficient number of multi-morph layers of PZT/SVE smart materials. Additionally, the use of a middle layer based on MRSTPF material in the acoustic cloaking configuration, even in a completely passive state, can serve as a suitable alternative to the SVE smart layer in the low-frequency range without consuming any effective external energy. Furthermore, since achieving three-dimensional, omnidirectional, broadband, near-perfect cloaking in the proposed configurations of the second problem requires a relatively high number of active/semi-active smart layers (N_max=31), the hybrid active/semi-active spherical shell configuration of the third problem employs an alternating arrangement of non-homogeneous piezoelectric-viscoelastic layers with an optimized structure (PZT/OSVE) to minimize the total number of broadband near-perfect cloaking configuration layers and also to reducing computational and experimental implementation costs. In this regard, it was observed that by using the optimized seven-layer non-homogeneous configuration, the maximum cloaking error percentage (%Err) could be reduced across the entire frequency range from eight percent to below one percent (achieving near-complete concealment). On the other hand, the results obtained indicate that achieving near-perfect broadband concealment (%Err < 1) in the homogeneous configuration requires a minimum of 31 hybrid active/semi-active smart layers, whereas the optimized non-homogeneous configuration needs only 7 hybrid active/semi-active smart layers. Additionally, the analysis of the sensitivity of cloaking performance to the arrangement of smart viscoelastic materials in the Cloaking body shows that using magnetorheological elastomer (MRE) and conventional passive viscoelastic (VE) materials in the inner layers, along with shape memory polymer (SMP) in the outer layers of the optimized configuration, creates a more favorable environment for achieving near-perfect, three-dimensional, omnidirectional broadband cloaking. The results of the proposed study can be considered an important step toward the practical development and experimental implementation of high-performance acoustic cloaking tools, aimed at achieving nearly complete omnidirectional broadband cloaking for three-dimensional underwater objects of various shapes, without relying on exotic metamaterials.
كليدواژه هاي فارسي
استتار صوتي شبه كامل زيرآب , كنترل آكوستيك ساختاري هيبريد فعال-نيمه فعال , تعامل هوشمند سيال/سازه
كليدواژه هاي لاتين
quasi-complete underwater acoustic cloaking , Active-semi-active hybrid structural acoustic control , intelligent fluid/structure interaction
Author
Kasaei
SuperVisor
Dr, Hasheminejad