بخشی از مقاله
چکیده
پروانه یکی از مهمترین اجزای سیستم رانش یک شناور است که وظیفه اصلی آن ایجاد نیروی رانش مناسب جهت پیشروی شناور در دریا است. طراحیپره پروانه و نهایتاً پروانه دریائی مناسب یکی از مهمترین کارهای یک مهندس آرشیتکت کشتی است. با توجه به اینکه درخواستهای عملکرد خوب پروانه، قدرت پروانه، ایجاد سرو صدای کم توسط پروانه و کاهش ارتعاشات پروانه رو به افزایش است بنابراین طراحی پروانه پیچیدگی خاص خود را دارد. در این مقاله ما به بررسی تاثیر زاویه لایهگذاری در ارتعاشات پروانه میپردازیم. در کار حاضر پره پروانه ابتدا بهصورت تیر یک سر گیر دار مدل شد و سپس مدلسازی به کمک ورق کلاسیک انجام گرفت. روابط حرکت برای تیر، ورق و صفحه کامپوزیتی استخراج گردید. ارتعاشات پره پروانه دریایی که از مواد کامپوزیتی تشکیلشده به کمک روش گالرکین مورد حل و آنالیز قرار گرفت و برای دقت بالا، روابط به کمک دستور متلب حل شدند. طراحی بهینه پروانه کامپوزیتی برای ارتعاشات آزاد و اجباری برای اهداف طراحی انجام شد. فقط لایهگذاریهای متقارن مدنظر قرار گرفت. نتایج نشان میدهد که ترتیب لایهگذاری مناسب در پروانه کامپوزیتی عملکرد آن را در مقایسه با پروانه فلزی بهبود میبخشد. در این کار اثر پارامترهای متفاوتی مثل تغییر نسبت عرض به طول، ضخامت، انحنا، تعداد لایهها، زاویه لایهگذاری و غیره روی ارتعاش پره و پروانه، خمش و پیچش بررسی شد. یکی از متغیرهای مستقل برای ارزیابی وسایل داخل آب، ارزیابی خصوصیات شکل مد و فرکانس طبیعی آنها است. در کار حاضر شکل پره پروانه مثل صفحه یکسر گیردار در نظر گرفتهشده است. خواص ارتعاش پروانه برای زوایای مختلف لایهگذاری انجام شد. علاوه بر اینکه پروانههای کامپوزیتی سبکتر و نیاز به نگهداری کمتری دارند، از نتایج واضح و روشن است که با انتخاب صحیح تعداد لایهها و زاویه لایهگذاری ، فرکانسهای طبیعی پروانههای کامپوزیتی خیلی بهتر و مناسبتر از نوع فلزی هستند و میتوانند بهتر از نوع فلزی کار کنند.
مقدمه
پرهها از اجزای بحرانی و مهم کشتی هستند و مطالعه بر روی خصوصیات و رفتار دینامیکی آنها مهم و اساسی است. به علت سختی دینامیکی و تأثیرات پیچش که به دلیلی نیروهای جاذبه، گریز از مرکز و هیدرودینامیکی و غیره ایجاد میشوند، خصوصیات دینامیکی پرههای پروانه دریائی می تواند بطور چشمگیری تغییر کند. برای طراحی پره باید فاکتورهای زیادی از قبیل استحکام، طول عمر، ارتعاش ، هزینه و غیره را مد نظر داشت. برای بازدهی خوب و عملکرد مناسب یک پروانه دریائی، طراحی پرهها منجر به پیدا کردن خواص ارتعاشات میگردد. کاهش ارتعاشات یک عمل مهم برای طراحی خوب سازه پره میباشد که میتواند باعث دستیابی به اهداف دیگر مثل هزینه کم و تعادل بهتر پره گردد. با توجه به اینکه فنّاوری مواد با سرعت زیاد رو به تغییر است این تغییرات در طراحی و شرایط استفاده از پرهها تاثیر زیادی داشته است که خود باعث بهتر شدن عملکرد و هزینه شده است. با توجه به نوع کاربری، مواد زیادی برای تولید پره بکار میروند. هرچند عوامل زیادی مثل وسایل کاربری، مقاومت در برابر خوردگی، صلبیت، مقاومت در برابر خستگی، ظاهر و... تأثیر زیادی در مواد تشکیلدهنده پره دارند ولی نیاز به این عوامل باعث میشود تا استفاده از موادی مثل کامپوزیتها در سازهها بیشتر مورد استفاده قرار گیرند. استفاده از الیاف تقویتشده مواد کامپوزیتی در کاربرد پرهها رو به افزایش است. موضوع ارتعاش، در سازههای مهندسی مثل پرههای پروانه دریایی، بال هلیکوپتر، توربین بادی، پنلهای اتوماتیک و بالهای هواپیما که از مواد کامپوزیتی ساختهشدهاند خیلی بحرانی و مهم است. بیشتر اجزای این سازهها میتوانند بهصورت تیرهای لایهای کامپوزیتی در نظر گرفته شوند. ازاین رو آنالیز ارتعاش آزاد در تیرهای لایهای بهطور وسیعی انجامگرفته است.
خدیر و همکارانش - - 1974 ارتعاش تیرهایی با لایهگذاری متقاطع و با شرایط مرزی را بررسی کرد.[1] بررسیها روی مدهای فرکانس طبیعی ورق و پوسته طرهای اپوکسی گرافیت توسط کروالی و همکارانش[2] و ارتعاشات آزاد ورقهای در حال چرخش توسط وانگت و همکارانش - 1987 - و شاو و همکارانش - - 1988 انجام گرفت.[3] کار اولیه روی ورقهای دارای پیچش کامپوزیتی توسط کاتو1 و همکارانش - - 1991 برای تعیین فرکانس طبیعی ورقهای ثابت به کمک روش ریتز و تئوری لایهایهای نازک انجام گرفت.[4] بیر و همکارانش - 2001 - روش طراحی اولیه را بر اساس تئوری اویلر برنولی روی سازه لایهگذاری انجام دادند و مشخص شد که ترتیب لایهگذاری که با این روش بهدستآمده مقاومت کافی در ریشه را ندارد.[6] ترتیب لایهگذاری یک پوسته استوانهای لامینیتی بر اساس فرکانس طبیعی توسط شاکری2 و همکاران - 2005 - بهینه شد. گو لی و همکارانش تأثیر سیال بر روی خواص پروانه کامپوزیتی را بررسی کردند. آنها روش کوپل CFD و FEM را روی پروانه کامپوزیتی در یک سیال ویسکوز اعمال کردند تا تقابل سازهای سیال غیریکنواخت را بر روی آن بررسی کنند. سه لایهگذاری متفاوت برای پروانه طراحی شد. یک روش FSI - روش تقابل سازهای سیال - برای آنالیز تأثیر لایهگذاری بر پروفایل فشار، هیدرو استاتیک و عملکرد سازه استفاده شد. نتایج نشان داد که عملکرد هیدرودینامیکی پروانهکامپوزیتی تقریباً مشابه پروانه فلزی است. هرچند آنها سبکتر شدن وزن پروانه را به خاطر دانسیته مواد ارائه قراردادند.
مدلسازی و تعیین معادلات حرکت
پروانههای دریائی بخصوص پره پروانه دارای شکل پیچیدهای هستند که نیاز به سطوح هیدرودینامیکی مناسب برای مدلسازی دارند. مهمترین عوامل که در مدلسازی پروانه شرکت دارند قطر پروانه، تعداد پرهها، سری استفادهشده برای سطح مقطع، توزیع گام، زاویه اسکیو، زاویه ریک و سطوح پره میباشند. در این کار یک پروانه 4 پرهای برای مطالعه انتخاب شد. ساده ترین مدلها بر اساس مدلهای خمش و پیچش هستند، که در آنها پروانه بهصورت یک تیر دارای خمش و پیچش همزمان مدلسازی میگردد. در این مدل، میتوان اثر انحنا، کجی و نازک شوندگی پره پروانه را در نظر گرفت. اما این روش مدلسازی برای پرههای طویل با نسبت طول به عرض بالا دارای اعتبار است. برای پروانهایی با طول و عرض تقریباً هممرتبه، مدلسازی بر اساس مدل صفحه ضروری است، چراکه جابجایی یا خمش در هر دو جهت دارای اهمیت یکسان است. ازاینرو در این قسمت در ابتدا به مدلسازی اولیه بر اساس مدلهای خمش و پیچش پرداخته و در ادامه مدلسازی بر اساس صفحه در نظر گرفته میشود.
شکل : 1 تیر یکسر گیردار مورب
سازه تیر بهگونهای است که تغییر شکل تیر توسط خمش h - y - در طول محور و جهت پایین مثبت فرض میشود و چرخش a - y - حول اینمحور و جهت بالا مثبت فرض میشود. بنابراین جابجایی بهصورت زیر است: انرژی کرنشی برای یک ورق متقارن ناهمسانگرد از رابطه زیر به دست میآید .
که Dij مدول خمش برای یک ورق N لایهای است و زاویه قرارگیری θ و W انرژی جنبشی از رابطه زیر به دست میآید.که ρ - x, y - دانسیته ماده است. کار انجامگرفته بهصورت زیر بیان میشود:تغییر شکل جابجایی ورق است. جهت پایین مثبت فرض شده است.
L جابجایی آئرودینامیکی، مثبت به سمت بالا، و M ممان آئرودینامیکی حول محور الاستیک پرهها ، مثبت به سمت بالا، میباشند. با اعمال اصل حداقل انرژی پتانسیل معادلات دیفرانسیل زیر را خواهیم داشت:
که در رابطه بالا ، EIb ، GJ ، K، S ، m، Xα ، Iα و d22 به ترتیب سفتی خمشی ، سفتی پیچشی، سفتی کوپل پیچشی-خمشی، اثر تابیدگی، جرم بر واحد دهانه تیر، مرکز جرم از محور الاستیک، ممان اینرسی مقطع و ضریب کوپل با روابط زیر میباشند. در این صورت با قرار دادن در روابط حرکت و استفاده از روش گالرکین، معادلات حرکت بهصورت زیر نوشته میشوند.
