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.
طراحی پره 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.
کلمات کلیدی: ارتعاشات ، پروانه دریایی، خمش و پیچش، کامپوزیت
-1 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 میتواند 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.[7]
آلجاندرو3 و همکارانش - 2010 - ارتعاش اصلی سازه لایه کامپوزیت پرههای توربین بادی که با شرایط معمولی کار میکند را با مدل کردن هندسه پیچیده آن به مدل تیر مشابه، آنالیز کرد.[8] وان گو لیو4 و همکارانش - - 2010 تأثیر زاویه فیبرها در لایه پره را روی مقاومت آن به کمک المان محدود بررسی کرد و نتایج حاصله نشان داد که لایهگذاری نزدیک به زاویه 45 درجه بهترین مقاومت را حاصل میکند. در حال حاضر سازههای دریایی زیادی وجود دارد که بر اساس کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده ساختهشدهاند. این توسعه و فنآوری به دلیل نیاز برای بهبود کارآئی انجام شد - مثل افزایش تنوع ، تعادل ، ظرفیت تحمل بار -و همزمان باعث کاهش هزینههای اولیه مالک - کاهش هزینههای نگهداری، هزینههای مصرف سوخت - کشتیهای جنگی و زیردریایی میشود. آزمایشهایی روی کشتیهای جنگی، مینروبها، قایقهای گشت دریایی، هاور کرافت که کاملاً از مواد کامپوزیتی ساختهشدهاند انجام گرفت. استفادههای جدید مواد کامپوزیتی در سوپر استراکچر ، سیستمهای دکلها ، دیوارههای عرضی و طولی، عرشهها، پروانهها ، شفت سیستم رانش و سکان برای کشتیهای بزرگ مثل ناوشکنها وجود دارد.[9] اولین استفاده کامپوزیت بعد از جنگ جهانی دوم در یک قایق شخصی کوچک برای نیروی دریایی آمریکا بود.[9] این قایقها نشان دادند که از مقاومت و استحکام کافی برخوردارند و تعمیر آنها آسان است که این امر باعث افزایش استفاده کامپوزیتها در انواع دیگر شناورهای دریایی آمریکا بین اواسط سالهای 1940 و 1960 شد. نیروی دریایی آمریکا از کامپوزیتها در سازههای عرشه برای شناورهای کوچک، دکل بعضی از کشتیهای مخابراتی، تأسسیسات و لولهکشی ناوشکنها و پوشش زیردریائیها استفاده کرد.[9] نیروی دریایی انگلیس و فرانسه شروع به استفاده از کامپوزیت بجای فلز در جلوی کشتی برای ارسال موج صوتی5 در زیردریاییها برای ارسال امواج صوتی بهتر و استفاده مشابه برای حفاظت ارتباطات و آنتن رصد6 در کشتیهای سطحی کردند.[9] در دهه 1970 کشتیهای مینروبی ،کشتیهای راهنما و لندینگ کرافت شروع به استفاده از کامپوزیتها در سازههایشان کردند. این دوره شروع استفاده از کامپوزیتها در کشتیهای بزرگ بود.[9]
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 سازه ای سیال - برای آنالیز تأثیر لایهگذاری بر پروفایل فشار، هیدرو استاتیک و عملکرد سازه استفاده شد. نتایج نشان داد که عملکرد هیدرودینامیکی پروانه کامپوزیتی تقریباً مشابه پروانه فلزی است. هرچند آنها سبکتر شدن وزن پروانه را به خاطر دانسیته مواد ارائه قراردادند.[10]
جوز پدرو بلاسکو و همکارانش روی آنالیز و بهینه کردن هیدرو الاستیک پروانه دریایی کامپوزیتی کارکردند. آنها در طراحی و بهینه کردن پروانه دریایی کامپوزیتی کارکردند. هدف آنها کار روی لایهای برای کنترل کردن تغییر شکل پره و نهایتاً بهبود رانش بود.[11] آنها روی نتایج تجربی پروانه با گام متغیر در مواد کامپوزیتی کارکردند. استفاده از این مواد برای اعمال خصوصیات آنها بر کوپل خمشی- پیچشی است، از این خواص استفاده میشود تا عملکرد بهتری در طراحی حاصل شود. پروانههای دریایی کامپوزیتی دارای پیچش وقتی در معرض بار هیدرودینامیکی قرار میگیرند، به دلیل وجود کوپل خمش- پیچش در خصوصیات مواد کامپوزیتی انیزو تروپیک، نه تنها خم میشوند بلکه دچار پیچش هم میشوند. برای بررسی تأثیرات کوپل خمش-پیچش در پروانهها دو روش طراحی - طراحی مواد و طراحی هندسه - ارائه، فرموله و اعمال میگردد. طراحی مواد بهعنوان پیوسته - گسسته - مسائل دوقطبی فرموله شدند که به روش الگوریتم ژنتیکی به کمک روشهای عددی و تجربی بررسی شدند. طراحی هندسه به روش مهندسی معکوس برای تعیین هندسه بدون بار بررسی شد که به روش مسائل غیرخطی حل گردید.[13]
یانگ در کار خود بر روی پروانه کامپوزیتی کارکرد و تأثیر کوپل خمشی- پیچشی را بر روی خواص مواد کامپوزیتی انیزو تروپیک بررسی کرد تا زاویه ریک و اسکیو و توزیع گام را بهبود ببخشد و باعث عملکرد بهتر پروانه شود. محاسبات تنش برای یک پروانه کامپوزیتی و یک پروانه ایزوتروپیک باهم مقایسه شدند.[14]
