شماره ركورد
34380
پديد آورنده
ابوطالب كرمي
عنوان
مطالعهي رفتار ارتعاشات سازهاي بهكمك چارچوب يكپارچه ايزوژئومتريك چند-مبنايي: نظريه رياضي، الگوريتمهاي عددي، راستيآزمايي و اعتبارسنجي، و پلتفرم نرمافزاري، با كاربردهايي در تيرهاي چندمادهاي و آسيبديده.
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك - مهندسي خودرو
سال تحصيل
1403
تاريخ دفاع
1404/07/28
استاد راهنما
جواد مرزبان راد
استاد مشاور
-
دانشكده
مهندسي خودرو
چكيده
چارچوب يكپارچهي ايزوژئومتريك چندپايه (Multibasis IGA): اين رساله يك چارچوب يكپارچهي ايزوژئومتريك چندپايه براي تحليل رفتار ارتعاشي و پاسخ استاتيكي اعضاي تير مانند در ابعاد يك تا سهبعدي ارائه ميكند. هندسهي دقيق CAD و پيوستگي مرتبهبالا از طريق بياسپلاينها (B-splines)، (NURBS)، اسپلاينهاي (THB)، اسپلاينهاي (PHT) و تياسپلاينها (T-splines) محقق ميشود و امكان پالايش سراسري-k، پالايش موضعي hp/ و پالايش تطبيقي و اعمال شرايط مرزي سازگار با CAD را براي حالتهاي C–C (گيردار-گيردار) ، C–F (گيردار-آزاد)، C–P (گيردار-مفصلي) و P–P (مفصلي-مفصلي) فراهم ميسازد. اعضاي فلزي بر پايهي نظريههاي اويلر–برنولي و تيموشنكو مدل ميشوند؛ كامپوزيتهاي لايهاي با فرمولبنديهاي لايهتكمعادل (ESL) مبتني بر نظريههاي تغييرشكل برشي مرتبهي اول و مرتبهي بالا (FSDT/ميندلين و HSDT/از نوع ردي) كه از نظريهي صفحات لايهاي به سينماتيك تير تخصص يافتهاند؛ و دلمينيشنهاي ازپيشموجود با نظريهي تير ايزوژئومتريك لايهبهلايه (سينماتيك بر مبناي لايه با اعمال صريح شرايط مرزي بينلايهاي) تنها در سطح تركخورده (بدون گسترش ترك) مدل ميشوند. گزينهي HSDT وارپيج/پيچشِ برشي در امتداد ضخامت را بدون نياز به ضرايب تصحيح برش ثبت ميكند و از پيوستگي اسپلاينها بهره ميبرد تا منظمبودن بالاتر لازم براي سينماتيك مرتبهي بالا را ارضا كند.
ردهبندي روشهاي عددي: يك ردهبندي سالبهسال تا سال 2025، جايگاه چارچوب پيشنهادي پاياننامه را در ميان مباحث مكانيك محاسباتي جاي ميدهد. اين ردهبندي سير پيشرفتهاي روشي و الگوريتمي را در حوزههاي مقابل رديابي ميكند: المان محدود (ايزوپارامتريك؛ مختلط؛ پايدارسازي/VMS؛ DG/HDG/DPG؛ اعمال قيود بهصورت قوي، روش نيچه و مورتار؛ تماس و كوپلينگ چندفيزيكي)، روشهاي بدونمش/ذرهاي (EFG، RKPM، MLPG، SPH، MPM و هيبريدها)، صورتهاي جايگزين چندوجهي/مرزي (VEM، HHO، SBFEM)، رويكردهاي غوطهور و نامنطبق (دامنهي موهومي/سلول محدود، CutFEM/CutIGA، هندسهي بريده/جاسازيشده در CAD و رابطهاي ALE)، و روشهاي ايزوژئومتريك (گالركين/كُلوكيشن، IGABEM، استخراج بزيه؛ پالايش موضعي با T-splines، THB و LR-splines). فلوچارتهاي مقايسهاي هر خانواده را برحسب محورهاي دقت هندسي، نظم/پيوستگي توابع آزمون–خطا، سازوكار پالايش موضعي، شرايطپذيري/بدشرطي، قفلشدگي و پراكنش عددي، پيچيدگي الگوريتمي و موازيسازي HPC، و آمادگي همجوشي داده نگاشت ميكنند و بدين ترتيب، انگيزهي استفاده از IGA براي ارتعاش با هندسهي دقيق CAD و پيوستگي بالا را روشن كرده و حوزههايي را كه رويكردهاي جايگزين برترند مشخص ميسازد.
صحتسنجي عددي: مراجع حل تحليلي بر اساس فرمبسته در قالبهاي عددي پايدار گردآوري ميشوند: براي اويلر-برنولي از ويژگيهاي مثلثاتي/هايپربوليكِ كراندار، و براي تيموشنكو از سامانهي پراكنشِ جفتشدهي برش-لختي دوراني استفاده ميشود. كتابخانهي Chebfun براي محاسبهي ريشهها و مدهاي نرمالشده نسبت به جرم با مديريت شاخهها بهكار ميرود. در HSDT، اعتبارسنجي از (i) ريشههاي معادلهي مشخصه در موارد در دسترس براي تيرهاي لايهاي؛ و (ii) جوابهاي مرجع مجانبيِ حاصل از مدلهاي ايزوژئومتريك/سهبعدي بسيار ريزشده بهمنظور محصور كردن زوجهاي ويژه و پاسخهاي استاتيكي پيگيري ميشود. كارزارهاي عددي بر روي مقاطع دايرهاي/مستطيلي (EB) و T/H (تيموشنكو) و نيز مقاطع مستطيلي لايهاي براي FSDT/HSDT پنج زوجِ ويژهي نخست، خطاهاي نرم L²/انرژي و خيز ميانهي تير تحت بار گستردهي يكنواخت را گزارش ميكنند (IGA در برابر تحليلي در برابر FEM). بهواسطهي هندسهي دقيق و پيوستگيِ بالا، IGA با تعداد درجات آزادي بهمراتب كمتر به دقتهاي هدف ميرسد؛ در رژيم تيرهاي نازك، براي پايههاي سازگارِ مرتبهي بالا قفلشدگي برشي مشاهده نميشود؛ و در لمينيتهاي نسبتاً ضخيم و بهشدت ناهمسانگرد، HSDT بدون نياز به تنظيم ضرايب تصحيح برش، خطاهاي فركانس/خمش را نسبت به FSDT كاهش ميدهد. پاسخهاي ارتعاش اجباري با انتگرالگير نيوماركِ ضمني محاسبه شدهاند (بهكار رفتهاند ولي عامدانه در متن اصلي بسط نيافتهاند).
اعتبارسنجي تجربي: چيدمان تيرها با تحريكِ چكشِ ابزارمند و ويبرومتري ليزر داپلر (LDV) دادههاي گستردهباند نيرو–پاسخ توليد ميكند. FRFهاي از نوع H₁ با ميانگينگيري ولش و پايشِ Coherence، رزونانسها و ميرايي را شناسايي ميكنند؛ اندازهگيريها در سراسر طيف پالايش و نظريههاي سينماتيكي با IGA انطباق دارند. براي اندازهگيري مستقيم كرنش/انحناي سطح، امكانسازِي MAC در فضاي انحنا، انجام كنترلهاي انحناي استاتيك تحت بارهاي معلوم، ارزيابي صحت شرايط مرزي و اجراي مطالعات حساسيت hp/k، طراحي و ساخت يك سامانهي پيزوالكتريكِ چندپچ براي اندازهگيري انحنا دنبال شدهاست. اين سامانه نسبت به اثرات برشي در امتداد ضخامت كه FSDT را از HSDT در تيرهاي لايهاي متمايز ميكنند حساس است و در عين حال از تشديد نويز ناشي از دو بار مشتقگيري مكاني جلوگيري ميكند.
تحليل آماري: يك ANOVA نوع III با طرح عاملي، اثرات اصلي و برهمكنشهاي مرتبهي چندجملهاي p، تعداد المانها (nel) ، مسير پالايش hp در برابر گام مركب k و نمايهي مد را بر پاسخهاي تبديلشده (خطاي فركانس،نرم L² و انرژي) كميسازي ميكند. جمع مربعات نوع III، اندازهي اثر (η² و η² جزئي)، اثرات شرطي حول nel و مقايسههاي زوجي Tukey HSD، قواعد عملي براي گزينشِ تقريباً بهينهي (p, nel) در ترازهاي تجاريِ دقت-هزينه ارائه ميكنند.
بستر نرمافزاري (IsoFlex): پايانبخش رساله، IsoFlex است. يك پلتفرم مستقل و بيتفاوت به ماده و هندسه كه كاربر توانايي انتخاب خواص مكانيكي و هندسي دلخواه دارد. علاوه برآن، كاربر ميتواند ارتعاش آزاد يا اجباري را برگزيند؛ نوع تحريك (نقطهاي/گستردهي هارمونيك، ضربهاي يا تاريخچهي زمانيِ تعريفشده توسط كاربر) را تعيين كند؛ نظريهي مدلسازي (اويلر–برنولي، تيموشنكو، ESL-FSDT لايهاي ، ESL-HSDT لايهاي ، تئوري لايهاي براي دلمينيشن) را انتخاب نمايد؛ و راهبرد پالايش (k سراسري، hp موضعي، تطبيقي) ، خانوادهي پايه و نواحي دلمينيشن را مشخص كند. براي پيكربندي دقيقِ انتخابشده توسط كاربر، IsoFlex نتايج IGA، FEM كلاسيك و مراجع تحليليِ دقيق را محاسبه و بهصورت مقايسهاي گزارش ميكند و نمودارها و CSVهاي قابلاستفادهي (فركانسها، مدها، FRFها، نرمهاي L²/انرژي، خيزهاي استاتيك و سنجههاي خطا مانند MARE) را صادر مينمايد. تعريف بار انعطافپذير است (نيروهاي نقطهاي يا گسترده و كل طيف از هارمونيك تا ضربهاي تا تاريخچههاي زماني دلخواه) بهگونهاي كه مطالعات بدون اتكا به فهرستهاي ازپيشتعريفشدهي شكلها، مواد يا تعداد لايهها قابل طرح باشند و تمامي موارد توسط كاربر قابل درج باشد تا مسائا گوناگون در اين حوزه را برگيرد.
بنچمارك و افق آينده: يك مجموعهي بنچماركِ برگزيده (جدولها/اسكريپتها) كه چهار شرط مرزي كلاسيك و چندين مقطع را دربرميگيرد تدوين و درون IsoFlex نيز بهصورت الگوهاي قابلاجرا آينه شده است تا بازتوليدپذيري تضمين شود. در افق آينده، همين زيرساخت از يك دوقلوي ديجيتال ايزوژئومتريكِ همگرا به داده براي تيرهاي لمينيت كامپوزيتي/دلمينيت پشتيباني ميكند؛ در اين چارچوب، عملگر سازهاي با كمينهسازي فيزيك (هندسه، بارها، شرايط مرزي، موازنهي تكانه) از داده آموخته و با روشهاي ERA/NExT و شناسايي زيرفضا تقريباً در زمان-نزديك بهروزرساني ميشود؛ بدينسان، آشكارسازي دلمينيشن و كشف قوانين سازنده با عدمقطعيت كمّيسازيشده ممكن ميگردد.
پژوهشهاي صورت گرفته در اين رساله، حوزه هاي رياضيات كاربردي (مباني وارياسيوني/طيفي؛ تقريب و منظمبودن فضاهاي اسپلايني)، تحليل عددي و محاسبات علمي (پايداري، پراكنش، طراحي الگوريتم، اعتبارسنجي؛ مهندسي نرمافزار/HPC) و مدلسازي و كاربردها (تيرهاي فلزي و لايهاي/دلمينيت، با مسيرهاي انتقال به پايش/عيبيابي مبتني بر دوقلوي ديجيتال) را در هم ميآميزند.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/10/28
عنوان به انگليسي
A Unified Multi-Basis Isogeometric Framework for Structural Vibrations: Mathematical Theory, Numerical Algorithms, Verification and Validation (V&V), and a Software Platform—with Applications to Multi-Material and Damaged Beams
تاريخ بهره برداري
10/22/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
ابوطالب كرمي
چكيده به لاتين
Unified Multibasis IGA framework: This thesis develops a unified Multibasis Isogeometric Analysis (IGA) framework for the vibration behaviour and static response of beam-like structures across 1D–3D. Exact CAD geometry and high-order continuity are achieved using B-splines, NURBS, THB-splines, PHT-splines, and T-splines, enabling global k-refinement, local hp/adaptive refinement, and CAD-consistent boundary conditions (C–C, C–F, C–P, P–P). Metallic members are modelled by Euler–Bernoulli and Timoshenko theories; laminated composites use Equivalent Single-Layer (ESL) formulations based on both first-order and higher-order shear deformation theories (FSDT/Mindlin and HSDT/Reddy-type) specialized from laminate-plate theory to beam kinematics; and pre-existing delaminations are treated with a Layerwise Isogeometric beam theory (ply-wise kinematics with explicit interface conditions), applied only at the cracked interface (no propagation). The HSDT option captures through-thickness shear warping without shear-correction factors, leveraging spline continuity to meet the higher regularity demanded by higher-order kinematics.
Numerical taxonomy: A year-by-year taxonomy through 2025 situates the framework within computational mechanics. It traces methodological and algorithmic progress across: Finite Elements (isoparametric; mixed; stabilized/VMS; DG/HDG/DPG; constraint enforcement via strong enforcement, Nitsche’s method, and mortar methods; contact and Multiphysics couplings), meshless/particle methods (EFG, RKPM, MLPG, SPH, MPM and hybrids), alternative polytopal/boundary formulations (VEM, HHO, SBFEM), immersed and unfitted approaches (fictitious-domain/Finite Cell, CutFEM/CutIGA, trimmed/CAD-embedded, and ALE interfaces), and Isogeometric methods (Galerkin/collocation, IGABEM, Bézier extraction; local refinement via T-splines, THB, LR). Comparative flow charts map each family along axes of geometric exactness, trial/test regularity, local-refinement mechanisms, conditioning/locking/dispersion, algorithmic complexity and HPC parallelism, and data-assimilation readiness—motivating IGA for vibration with CAD-exact geometry and high continuity, while clarifying regimes where alternatives are preferable.
Numerical verification: Closed-form exact references are assembled in numerically stable forms: Euler–Bernoulli via bounded trigonometric/hyperbolic characteristics; Timoshenko via a coupled shear–rotary-inertia dispersion system. Chebfun is used to compute roots and mass-normalized modes with branch handling. For HSDT, verification proceeds via (i) characteristic-equation roots where available for laminated beams; and (ii) asymptotic reference solutions from highly refined IGA/3D surrogate models to bracket eigenpairs and static responses. Campaigns over circular/rectangular (Euler–Bernoulli) and T/H (Timoshenko) sections—and laminated rectangular sections for FSDT/HSDT—report the first five eigenpairs, L²/energy-norm errors, and static mid-span deflections under uniform load (IGA vs analytical vs FEM). With exact geometry and high continuity, IGA reaches target accuracies with markedly fewer DOFs; in thin-beam regimes, no detrimental shear locking occurs for compatible higher-order bases; in moderately thick and strongly anisotropic laminates, HSDT reduces frequency/deflection errors relative to FSDT without tuning correction factors. Forced-vibration responses are computed with an implicit Newmark integrator (used but intentionally not detailed in the main text).
Experimental validation: Experimental beam setups using instrumented impact-hammer excitation and laser Doppler vibrometry produce broadband force–response data. FRFs (H₁) with Welch averaging and coherence monitoring identify resonances and damping; measurements agree with IGA across refinement spectra and kinematic theories. To directly measure surface strain/curvature, enable curvature-space MAC, perform static-curvature checks under known loads, assess boundary-condition fidelity, and conduct hp/k-sensitivity studies, we design and fabricate a multi-patch piezoelectric curvature rig. The rig provides sensitivity to through-thickness shear effects that distinguish FSDT from HSDT in laminated beams, while avoiding the noise amplification associated with double spatial differentiation.
Statistical analysis: A Type-III factorial ANOVA quantifies main and interaction effects of polynomial order (p), element count ( ), refinement path (hp vs a composite k-step), and mode index on transformed responses (frequency error, L², and energy norms). Type-III sums of squares, effect sizes (η², partial η²), conditional effects around ( ), and Tukey HSD pairwise comparisons yield practical rules for selecting near-optimal (p, ) at prescribed accuracy–cost trade-offs.
Software platform (IsoFlex): The thesis culminates in IsoFlex, a standalone, material- and geometry-agnostic platform in which users supply their preferred mechanical and geometric properties. Users can choose free or forced vibration; select the excitation type (point/distributed harmonic, impulse, or user-defined time history); pick the modelling theory (Euler–Bernoulli, Timoshenko, laminated ESL-FSDT, laminated ESL-HSDT, layerwise theory for delamination); and specify the refinement strategy (global k, local hp, adaptive), basis family, and regions of delamination. For the exact user-specified configuration, IsoFlex computes and cross-reports IGA, classical FEM, and closed-form exact results, and exports plots and machine-readable CSVs (frequencies, modes, FRFs, L²/energy norms, static deflections, and error metrics such as MARE). Load specification is flexible—point or distributed forces spanning harmonic to impulses to arbitrary time histories—so studies can be posed without reliance on preset catalogues of shapes, materials, or layer counts; all problem details can be set by the user to encompass different problems in this field.
Benchmark contribution and outlook: A curated, machine-readable benchmark suite (tables/scripts) spanning all four classical boundary conditions and multiple cross-sections is released and mirrored within IsoFlex as runnable templates for reproducibility. Looking forward, the same infrastructure supports an Isogeometric, data-convergent digital twin for composite/delaminated beams, in which the structural operator is learned from data under minimal physics (geometry, loads, boundary conditions, momentum balance) and updated near real time via ERA/NExT and subspace identification, enabling data-driven delamination detection and constitutive-law discovery with quantified uncertainty.
The contributions integrate applied mathematics (variational/spectral foundations; approximation/regularity of spline spaces), numerical analysis & scientific computation (stability, dispersion, algorithm design, verification; software/HPC engineering), and modeling & applications (metallic and laminated/delaminated beams, with translational pathways to monitoring/diagnostics via digital-twin concepts).
كليدواژه هاي فارسي
تحليل ايزوژئومتريك (IGA)؛ , اسپلاينهاي چندپايه (B-splines, NURBS, THB, PHT, T-splines) , نظريهي تغييرشكل برشي مرتبهي اول و بالا (HSDT-FSDT) , نظريهي لايه به لايه (سينماتيك لايه اي) , نظريهي تكلايهي معادل (ESL) , ارتعاش آزاد و اجباري , چارچوب نرمافزاري اختصاصي IGA , روش المان محدود (FEM).
كليدواژه هاي لاتين
Isogeometric Analysis (IGA) , Multibasis splines (B-splines, NURBS, THB, PHT, T-splines) , Shear deformation theory (FSDT- HSDT) , Layerwise theory (ply-wise kinematics) , Equivalent Single-Layer (ESL) , Free and Forced Vibration , Finite Element Method (FEM); , IGA Software Framework
Author
Aboutaleb Karami
SuperVisor
Javad Marzbanrad