Исследование панельного флаттера круговых цилиндрических оболочек, выполненных из функционально-градиентного материала

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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.).
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. 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.
  19. 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.
  20. 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.
  21. Статика и динамика тонкостенных оболочечных конструкций / А.В. Кармишин, В.А. Лясковец, В.И. Мяченков, А.Н. Фролов. - М.: Машиностроение, 1975. - 376 с.
  22. Годунов С.К. О численном решении краевых задач для систем линейных обыкновенных дифференциальных уравнений // Успехи математических наук. -1961. - Т. 16, № 3. - С. 171-174.
  23. 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.
  24. 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.
  25. 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.
  26. Carter L.L., Stearman R.O. Some aspects of cylindrical shell panel flutter // AIAA J. - 1968. - Vol. 6. - No. 1. - P. 37-43.
  27. 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.
  28. 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.
  29. 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.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 147

Cited-By


PlumX


© Бочкарев С.А., Лекомцев С.В., 2014

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах