تحلیل ورق‌های سبک‌وزن با ساختار TPMS: ارتباط بین تخلخل، نسبت جرمی و فرکانس طبیعی با استفاده از تئوری تغییرشکل مرتبه‌بالا

پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
کد مقاله : 1093-ISAV2025 (R1)
نویسندگان
1دانشگاه زنجان
2دانشگاه بوئین زهرا
چکیده
این مطالعه رفتار ارتعاشات آزاد ورق‌های متخلخل متشکل از ساختار‌های سطوح حداقلی تناوبی سه‌گانه با انواع آی.دبلیو.پی، پریمیتیو و جیروید را با استفاده از تئوری تغییرشکل برشی مرتبه بالا بررسی می‌کند. پس از محاسبه پارامترهای کلیدی حاکم بر مورفولوژی هر ساختار، فرکانس طبیعی بی‌بعد با حل ناویر به دست آمد. در ادامه با تغییر پارامترهای هندسی و جرمی (نسبت ابعادی، نسبت جرمی، و ضریب تخلخل) رفتار ارتعاشی سازه تحلیل شد. نتایج نشان می‌دهد که جیروید در تمام شرایط بالاترین فرکانس را دارد و برتری قابل توجهی در نسبت سفتی به چگالی نشان می‌دهد؛ در مقابل، پریمیتیو کمترین فرکانس و حساسیت بیشتری به تخلخل دارد و برای جذب انرژی مناسب است. ساختار آی.دبلیو.پی عملکردی میانه دارد و در نسبت‌های جرمی بالا، تقریباً به جیروید نزدیک می‌شود، که آن را به گزینه‌ای متعادل و قابل اعتماد برای طراحی‌های کاربردی تبدیل می‌کند. یافته‌های این پژوهش چارچوبی دقیق برای طراحی هدفمند سازه‌های سبک‌وزن با خواص ارتعاشی کنترل‌شده در کاربردهای هوافضا، خودروسازی و پزشکی فراهم می‌کند.
کلیدواژه ها
 
Title
Analysis of Lightweight Plates with TPMS-Based Architecture: Correlating Porosity, Relative Density, and Natural Frequency Using Higher-Order Deformation Theory
Authors
Sepide Nosrati, Omid Rahmani, Seyed Amirhosein Hosseini
Abstract
This study investigates the free vibration behavior of TPMS-based porous plates—specifically IWP, Primitive, and Gyroid architectures—using a higher-order shear deformation theory. After determining the key morphological parameters governing each structure, the dimensionless natural frequencies were obtained analytically via Navier’s solution. Subsequently, the vibrational response was analyzed by varying geometric and mass-related parameters—including the in-plane aspect ratio, the relative mass ratio, and the porosity coefficient.
The results demonstrate that the Gyroid structure exhibits the highest natural frequency under all conditions, showing a remarkable stiffness-to-density ratio. In contrast, the Primitive structure displays the lowest frequency and greater sensitivity to porosity, making it well-suited for energy absorption applications. The IWP architecture demonstrates intermediate performance; notably, at higher relative mass ratios, its behavior closely approaches that of Gyroid, positioning it as a balanced and reliable option for practical engineering designs.
These findings establish a precise framework for the targeted design of lightweight structures with tailored vibrational characteristics, enabling optimized performance in aerospace, automotive, and biomedical applications.
Keywords
Triply periodic minimal surfaces structures, porosity coefficient, higher-order shear deformation theory, free vibrations