Исследование панельного флаттера круговых цилиндрических оболочек, выполненных из функционально-градиентного материала
- Авторы: Бочкарев СА1, Лекомцев СВ1
- Учреждения:
- Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия
- Выпуск: № 1 (2014)
- Страницы: 57-75
- Раздел: Статьи
- URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/357
- DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2014.1.57-75
- Цитировать
Аннотация
Работа посвящена анализу панельного флаттера функционально-градиентных оболочек, обтекаемых сверхзвуковым потоком газа. Аэродинамическое давление вычисляется согласно квазистатической аэродинамической теории. Внутренняя поверхность конструкции выполнена из алюминия, а наружная - из оксида циркония. Эффективные свойства материала непрерывно изменяются по толщине оболочки в зависимости от радиальной координаты по степенному закону. Геометрические и физические соотношения, а также уравнения движения, записанные в рамках классической теории оболочек, преобразуются к системе восьми обыкновенных дифференциальных уравнений относительно новых неизвестных. Решение задачи сведено к интегрированию полученной системы методом ортогональной прогонки Годунова на каждом шаге итерационной процедуры метода Мюллера, используемой для вычисления комплексных собственных значений. Достоверность алгоритма оценена путем сравнения с известными экспериментальными и теоретическими данными. Приведены результаты численных экспериментов по оценке влияния свойств функционально-градиентного материала на границы аэроупругой устойчивости круговых цилиндрических оболочек при разных комбинациях граничных условий и линейных размерах. Установлено, что форма потери аэроупругой устойчивости определяется не только геометрическими характеристиками конструкции и граничными условиями, но и заданной консистенцией функционально-градиентного материала. Показано, что эффективное управление критическими значениями аэродинамической нагрузки за счет изменения свойств функционально-градиентного материала возможно только для оболочек с определенными геометрическими размерами.
Об авторах
С А Бочкарев
Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия
Email: bochkarev@icmm.ru
614013, г. Пермь, ул. Академика Королева, 1 кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник отдела комплексных проблем механики деформируемых твердых тел Института механики сплошных сред УрО РАН
С В Лекомцев
Институт механики сплошных сред УрО РАН, Пермь, Россия
Email: lekomtsev@icmm.ru
614013, г. Пермь, ул. Академика Королева, 1 кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник отдела комплексных проблем механики деформируемых твердых тел Института механики сплошных сред УрО РАН
Список литературы
- Reddy J.N., Chin C.D. Thermomechanical analysis of functionally graded cylinders and plates // J. Therm. Stresses. - 1998. - Vol. 21. - No. 6. - P. 593-626.
- Sheng G.G., Wang X. Thermomechanical vibration analysis of a functionally graded shell with flowing fluid // Eur. J. Mech. A-Solid. - 2008. - Vol. 27. - No. 6. - P. 1075-1087.
- Iqbal Z., Naeem M.N., Sultana N. Vibration characteristics of FGM circular cylindrical shells using wave propagation approach // Acta Mech. - 2009. - Vol. 208. - No. 3-4. - P. 237-248.
- Naeem M.N., Arshad S.H., Sharma C.B. The Ritz formulation applied to the study of the vibration frequency characteristics of functionally graded circular cylindrical shells // Proc. Inst. Mech. Engng., Part C: J. Mech. Engng. Sci. - 2010. - Vol. 224. - No. 1. - P. 43-54.
- Buckling of functionally graded cylindrical shells under combined loads / H. Huang, Q. Han, N. Feng, X. Fan // Mech. Adv. Mater. Struct. - 2011. - Vol. 18. - No. 5. - P. 337-346.
- Vibration characteristics of FGM circular cylindrical shells filled with fluid using wave propagation approach / Z. Iqbal, M.N. Naeem, N. Sultana, S.H. Arshad, A.G. Shah // Appl. Math. Mech. - 2009. - Vol. 30. - No. 11. - P. 1393-1404.
- Khazaeinejad P., Najafizadeh M.M. Mechanical buckling of cylindrical shells with varying material properties // Proc. Inst. Mech. Engng., Part C: J. Mech. Engng. Sci. - 2010. - Vol. 224. - No. 8. - P. 1551-1557.
- Matsunaga H. Free vibration and stability of functionally graded circular cylindrical shells according to a 2D higher-order deformation theory // Compos. Struct. - 2009. - Vol. 88. - No. 4. - P. 519-531.
- Najafizadeh M.M., Hasani A., Khazaeinejad P. Mechanical stability of functionally graded stiffened cylindrical shells // Appl. Math. Model. - 2009. - Vol. 33. - No. 2. - P. 1151-1157.
- On the buckling of functionally graded cylindrical shells under combined external pressure and axial compression / P. Khazaeinejad, M.M. Najafizadeh, J. Jenabi, M.R. Isvandzibaei // J. Press. Ves. Technol. - 2010. - Vol. 132. - No. 6. - 064501 (6 p.).
- Bagherizadeh E., Kiani Y., Eslami M.R. Mechanical buckling of functionally graded material cylindrical shells surrounded by Pasternak elastic foundation // Compos. Struct. - 2011. - Vol. 93. - No. 11. - P. 3063-3071.
- Sheng G.G., Wang X. Dynamic characteristics of fluid-conveying functionally graded cylindrical shells under mechanical and thermal loads // Compos. Struct. - 2010. - Vol. 93. - No. 1. - P. 162-170.
- Thermoelastic analysis of rotating laminated functionally graded cylindrical shells using layerwise differential quadrature method / Y. Heydarpour, P. Malekzadeh, M.R. Golbahar Haghighi, M.Vaghefi // Acta Mech. - 2012. - Vol. 223. - No. 1. - P. 81-93.
- Malekzadeh P., Heydarpour Y. Free vibration analysis of rotating functionally graded cylindrical shells in thermal environment // Compos. Struct. - 2012. - Vol. 94. - No. 9. - P. 2971-2981.
- Hosseini-Hashemi Sh., Ilkhani M.R., Fadaee M. Accurate natural frequencies and critical speeds of a rotating functionally graded moderately thick cylindrical shell // Int. J. Mech. Sci. - 2013. - Vol. 76. - P. 9-20.
- Qu Y., Long X., Yuan G., Meng G. A unified formulation for vibration analysis of functionally graded shells of revolution with arbitrary boundary conditions // Compos. Part B-Eng. - 2013. - Vol. 50. - P. 381-402.
- Haddadpour H., Mahmoudkhani S., Navazi H.M. Supersonic flutter prediction of functionally graded cylindrical shells // Compos. Struct. - 2008. - Vol. 83. - No. 4. - P. 391-398.
- Sabri F., Lakis A.A. Aerothermoelastic stability of functionally graded circular cylindrical shells // ASME International Symposium on Fluid-Structure Interactions, Flow-Sound interactions, and Flow Induced Vibration & Noise, Montreal, Canada, August 2010. - Montreal, 2010. - P. 939-945.
- Voss H.M. The effect of an external supersonic flow on the vibration characteristics of thin cylindrical shells // J. Aerospase Sci. - 1961. - Vol. 3. - P. 945-956.
- Бочкарёв С.А., Матвеенко В.П. Решение задачи о панельном флаттере оболочечных конструкций методом конечных элементов // Математическое моделирование. - 2002. - Т. 14, № 12. - С. 55-71.
- Статика и динамика тонкостенных оболочечных конструкций / А.В. Кармишин, В.А. Лясковец, В.И. Мяченков, А.Н. Фролов. - М.: Машиностроение, 1975. - 376 с.
- Годунов С.К. О численном решении краевых задач для систем линейных обыкновенных дифференциальных уравнений // Успехи математических наук. -1961. - Т. 16, № 3. - С. 171-174.
- Бочкарёв С.А., Матвеенко В.П. Об одном методе исследования аэроупругой устойчивости оболочек вращения // Вестник СамГУ. Естественно-научная серия. - 2007. - № 4(54). - C. 387-399.
- Olson M.D., Fung Y.C. Supersonic flutter of circular cylindrical shells subjected to internal pressure and axial compression // AIAA J. - 1966. - Vol. 4. - No. 5. - P. 858-864.
- Olson M.D., Fung Y.C. Comparing theory and experiment for the supersonic flutter of circular cylindrical shells // AIAA J. - 1967. - Vol. 5. - No. 10. - P. 1849-1856.
- Carter L.L., Stearman R.O. Some aspects of cylindrical shell panel flutter // AIAA J. - 1968. - Vol. 6. - No. 1. - P. 37-43.
- Bismarck-Nasr M.N. Finite element method applied to the supersonic flutter of circular cylindrical shells // Int. J. Numer. Meth. Engng. - 1976. - Vol. 10. - No. 2. - P. 423-435.
- Ganapathi M., Varadan T.K., Jijen J. Field-consistent element applied to flutter analysis of circular cylindrical shells // J. Sound Vib. - 1994. - Vol. 171. - No. 4. - P. 509-527.
- Sabri F., Lakis A.A. Finite element method applied to supersonic flutter of circular cylindrical shells // AIAA J. - 2010. - Vol. 48. - No. 1 - P. 73-81.