O estudo de vibração de uma casca cônica sanduíche com núcleo FGP saturado

Jun 04, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 4950 (2022) Citar este artigo

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Este artigo é fornecido para analisar a vibração livre de uma casca cônica truncada em sanduíche com um núcleo poroso funcionalmente graduado (FGP) saturado e duas mesmas folhas de face isotrópicas homogêneas. O comportamento mecânico do FGP saturado é assumido com base na teoria de Biot, o casco é modelado através da teoria de deformação por cisalhamento de primeira ordem (FSDT), e as equações governantes e condições de contorno são derivadas utilizando o princípio de Hamilton. Três padrões diferentes de distribuição de porosidade são estudados, incluindo um padrão de distribuição uniforme homogêneo e dois simétricos não homogêneos. Os parâmetros de porosidade nos padrões de distribuição mencionados são regulados para torná-los iguais na massa da casca. As equações de movimento são resolvidas exatamente na direção circunferencial por meio de funções senoidais e cossenoidais adequadas, e uma solução numérica é fornecida na direção meridional utilizando o método de quadratura diferencial (DQM). A precisão do modelo é aprovada e as influências de vários parâmetros, como número de onda circunferencial, espessura do núcleo FGP, parâmetro de porosidade, padrão de distribuição de porosidade, compressibilidade do fluido poroso e condições de contorno nas frequências naturais do casco são investigadas. . É mostrado que as frequências naturais mais altas geralmente podem ser alcançadas quando os poros maiores estão localizados próximos à superfície média da casca e em cada modo vibracional existe um valor especial do parâmetro de porosidade que leva às frequências naturais mais baixas. Deduz-se que na maioria dos casos, as frequências naturais diminuem com o aumento da espessura do núcleo do FGP. Além disso, reduzindo a compressibilidade do porofluido, pode-se observar um pequeno crescimento nas frequências naturais.

Devido ao grande uso das cascas cônicas em diferentes aplicações de engenharia, como engenharia aeroespacial e mecânica, motores a jato de aeronaves de alta potência, separadores centrífugos de alta velocidade e turbinas a gás, um número considerável de investigações tem sido apresentado sobre a análise mecânica de tais estruturas, recentemente. Sofiyev1 investigou as análises de estabilidade e vibração livre de cascas cônicas truncadas compostas heterogêneas reforçadas com nanotubos de carbono (CNTs) submetidas a uma carga axial. Ele examinou os efeitos da porcentagem de CNTs e da heterogeneidade na flambagem e nas características vibracionais livres da casca. As características de vibração livre de cascas cônicas truncadas poliméricas rotativas enriquecidas por nanoplacas de grafeno (GNPs) foram investigadas por Afshari2. Foi demonstrado por ele que a sequência dos modos vibracionais pode ser afetada pela variação do ângulo do semivértice. Utilizando técnicas analíticas e numéricas e testes experimentais, o estudo de vibração livre de cascas cônicas reforçadas por reforços cônicos foi examinado por Zarei et al.3. Eles estudaram as influências das características geométricas da casca nas frequências naturais de tal estrutura. Yousefi et al.4,5 estudaram o comportamento vibracional forçado e livre de painéis e cascas cônicas truncadas trifásicas de CNT/polímero/fibra. Foi revelado por eles que o maior comprimento e maiores ângulos de abrangência e semivértice resultam em frequências naturais menores. Para completar esses trabalhos, eles contrataram otimização por enxame de partículas para encontrar os melhores valores de frações mássicas dos CNTs e fibras e orientação das fibras para minimizar o custo e maximizar a frequência fundamental do CNT trifásico/polímero/fibra laminado truncado cônico painéis6. Aris e Ahmadi7 estudaram a análise da ressonância não linear de conchas cônicas truncadas FGM (materiais com classificação funcional) expostas a uma excitação harmônica externa e carga térmica. Eles examinaram os efeitos das características geométricas e da temperatura da casca nas características vibracionais não lineares da casca. Ao incorporar a aglomeração dos CNTs, o estudo de vibração livre de uma casca cônica truncada giratória reforçada com CNT foi examinado por Afshari e Amirabadi8. Foi demonstrado por eles que a variação da velocidade rotacional pode alterar a sequência dos modos vibracionais. O estudo de vibração de estruturas de casca cilíndrica-cônica combinadas com nervuras cônicas foi investigado por Zhang et al.9. Eles aprovaram a precisão de seu trabalho comparando seus resultados com os correspondentes obtidos através do método dos elementos finitos (MEF) e testes experimentais. Fares et al.10 empregaram uma formulação em camadas e analisaram a vibração livre de cascas cônicas truncadas reforçadas com CNT multicamadas. Eles verificaram a dependência das frequências naturais nas deformações de alongamento da espessura. Para várias condições de contorno, as frequências naturais de cascas cônicas truncadas de espuma metálica porosa foram relatadas por Li et al.11. Eles examinaram os efeitos do parâmetro de porosidade e do padrão de dispersão dos poros nas frequências naturais da casca. Usando FEM, Singha et al.12 analisaram a vibração livre de cascas cônicas sanduíche pré-torcidas rotativas com núcleo homogêneo e folhas frontais reforçadas com grafeno FG em um ambiente térmico. Eles estudaram o efeito dos padrões de distribuição do grafeno nas frequências naturais. Adab et al.13,14 investigaram o comportamento vibracional livre de microcascas cônicas truncadas em sanduíche, não rotativas e rotativas, com núcleo FGP e folhas frontais reforçadas com GNP. Foi demonstrado por eles que as frequências naturais mais altas podem ser alcançadas quando os grandes poros estão localizados próximos à superfície média da microcasca. Nasution et al.15 conseguiram encontrar uma solução semi-analítica para o comportamento de vibração supersônica de cascas trifásicas de polímero/GNP/fibra laminadas unidas cônico-cônicas. Eles concluíram que a estabilidade aeroelástica e o modo de vibração de tais estruturas podem ser facilmente afetados pelos ângulos semi-vértices e comprimentos dos segmentos da casca.