تحلیل ارتعاش آزاد محوری میلههای مدرج تابعی با روش اجزای محدود دینامیکی
پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
کد مقاله : 1005-ISAV2025 (R2)
نویسندگان
دانشگاه اراک
چکیده
تحلیل دقیق ارتعاشات محوری در میلههای با خواص مواد متغیر به دلیل پیچیدگی تغییرات پیوسته خواص مکانیکی در راستای طولی همواره یکی از چالشهای مهم در مکانیک محاسباتی و تحلیل سازهها بوده است. در پژوهش حاضر، رویکردی مبتنی بر استخراج ماتریس سختی دینامیکی توسعه داده شده که با بهرهگیری از توابع شکل مثلثاتی، قادر به مدلسازی دقیق رفتار دینامیکی میلههای مدرج تابعی تحت ارتعاش محوری است. برخلاف روش اجزای محدود کلاسیک که در بیشتر مواقع از توابع شکل چندجملهای استفاده میکند و منجر به بروز خطای عددی قابل توجه به ویژه در مسائل دینامیکی با تعداد المان کم میشود، در این روش اثرات دینامیکی بهصورت ذاتی در ماتریس سختی لحاظ شده و دقت محاسبات به شکل چشمگیری افزایش مییابد. ویژگیهای محوری مواد مدرج تابعی در این مطالعه بر اساس توابع توانی تعریف و در فرمولبندی ماتریسهای جرم و سختی لحاظ گردیده است. سپس با استفاده از تحلیل مودال و الگوریتمهای تکراری، مقادیر ویژه و در نتیجه فرکانسهای طبیعی مسئله با دقت بالا استخراج شدهاند. برای ارزیابی صحت و کارایی روش پیشنهادی، مدل عددی توسعه دادهشده بر روی یک مثال بنچمارک با جواب تحلیلی مقایسه شده که نتایج تطابق بسیار خوبی را نشان میدهد. نتایج بیانگر آن است که استفاده از توابع شکل چندجملهای در مدلسازی ارتعاشات میتواند منجر به کاهش دقت در پیشبینی پاسخ دینامیکی شود و در نتیجه، استفاده از تنها یک المان در روش اجزای محدود کلاسیک برای تحلیل اینگونه مسائل توصیه نمیشود. همچنین با توجه به افزایش خطای تحلیل مربوط به میله ناهمگن در روش اجزای محدود کلاسیک، استفاده از این روش برای مواد مدرج تابعی باید با ملاحظات بیشتری مدنظر باشد.
کلیدواژه ها
Title
Free Axial Vibration Analysis of Functionally Graded Bars Using the Dynamic Finite Element Method
Authors
Abstract
Accurate analysis of axial vibrations in bars with spatially varying material properties has always been one of the major challenges in computational mechanics and structural analysis due to the complexity arising from the continuous variation of mechanical properties along the length. In the present study, an approach based on the formulation of the dynamic stiffness matrix is developed, which, by employing trigonometric shape functions, is capable of precisely modeling the dynamic behavior of functionally graded bars subjected to axial vibration. Unlike the classical finite element method, which in most cases uses polynomial shape functions and results in considerable numerical errors—especially in dynamic problems with a small number of elements—this method inherently incorporates dynamic effects into the stiffness matrix and significantly enhances computational accuracy. The axial properties of the functionally graded materials in this study are defined based on power-law functions and are included in the formulation of the mass and stiffness matrices. Subsequently, using modal analysis and iterative algorithms, the eigenvalues—and consequently the natural frequencies—of the problem are extracted with high accuracy. To evaluate the validity and efficiency of the proposed method, the developed numerical model is compared with an analytical benchmark example, yielding excellent agreement. The results indicate that the use of polynomial shape functions in vibration modeling can reduce the accuracy of predicting the dynamic response; therefore, using only one element in the classical finite element method is not recommended for analyzing such problems. Moreover, due to the increased analysis error associated with heterogeneous bars in the classical finite element method, the use of this method for functionally graded materials should be considered with greater caution.
Keywords
Dynamic finite element method, trigonometric shape functions, functionally graded materials (FGMs), Modal Analysis, axial vibrations