تحلیل ارتعاشات و بهینه‌سازی تنش دینامیکی در تیرهای جدار نازک با مقطع متغیر

پذیرفته شده برای پوستر
کد مقاله : 1139-ISAV2025 (R1)
نویسندگان
دانشگاه اردکان
چکیده
با توجه به روند رو‌به‌گسترش طراحی سازه‌های سبک، مستحکم و کارآمد در صنایع پیشرفته‌ای همچون هوافضا، انرژی‌های تجدیدپذیر و خودروسازی، تحلیل دقیق رفتار دینامیکی سازه‌هایی نظیر تیرهای جدار نازک با مقطع متغیر از اهمیت بالایی برخوردار است. در این پژوهش، تحلیل ارتعاشات و تنش‌های دینامیکی تیرهای جدار نازک با سطح مقطع متغیر به روش رایلی–ریتز انجام گرفته است. به‌منظور مدل‌سازی دقیق‌تر تغییرات هندسی در راستای طول تیر، توابع چندجمله‌ای برای توزیع ضخامت و قطر مورد استفاده قرار گرفته‌اند. با بهره‌گیری از روش رایلی–ریتز، ماتریس‌های جرمی و سختی به‌صورت نیمه‌تحلیلی استخراج و معادلات حاکم بر ارتعاشات آزاد و اجباری به دست آمده‌اند. در ادامه، پاسخ دینامیکی تیر تحت بار گسترده سینوسی محاسبه و توزیع تنش خمشی در طول تیر مورد ارزیابی قرار گرفته است. به‌منظور دستیابی به طراحی بهینه، هندسه تیر با هدف کاهش هم‌زمان تنش بیشینه و جرم سازه، به کمک الگوریتم ژنتیک چندهدفه‌ی NSGA-II بهینه‌سازی شده است. مجموعه‌ای از طرح‌های بهینه روی جبهه پارتو استخراج و تحلیل شده‌اند. نتایج حاصل نشان می‌دهد که انتخاب مناسب تابع تغییرات ضخامت و قطر، با استفاده از روش بهینه‌سازی چندهدفه، می‌تواند ضمن کاهش قابل‌توجه تنش‌های دینامیکی، وزن سازه را نیز به‌طور مؤثری کاهش دهد. همچنین، مقایسه پاسخ‌های عددی با نتایج نرم‌افزار ABAQUS تطابق بسیار مطلوبی را نشان می‌دهد که مؤید دقت و کارایی مدل پیشنهادی است. روش ارائه‌شده می‌تواند به‌عنوان ابزاری کارآمد در طراحی و بهینه‌سازی سازه‌های سبک و مقاوم در کاربردهای مهندسی، به‌ویژه در صنایع هوافضا، انرژی و خودروسازی مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه ها
 
Title
Vibration Analysis and Dynamic Stress Optimization in Thin-Walled Beams with Variable Cross-Section
Authors
Mohammadreza Ehsanifar, Hamed Darvish Gohai, mahdi zare mehrejerdi
Abstract
Considering the growing trend toward designing lightweight, robust, and efficient structures in advanced industries such as aerospace, renewable energy, and automotive engineering, accurate dynamic analysis of members like thin-walled beams with variable cross-sections is of high importance. In this study, vibration analysis and dynamic stress assessment of thin-walled beams with varying cross-sections are performed using the Rayleigh–Ritz method. Polynomial functions are employed to model more accurately the geometric variations of thickness and diameter along the beam length. By applying the Rayleigh–Ritz approach, the mass and stiffness matrices are derived in a semi-analytical form and the governing equations for free and forced vibration are obtained. The dynamic response of the beam under a spatially distributed sinusoidal (harmonic) load is then computed, and the distribution of bending stress along the beam is evaluated. To achieve an optimal design, the beam geometry is optimized with the simultaneous objective of reducing peak dynamic stress and structural mass, using the multi-objective genetic algorithm NSGA-II. A set of optimal designs on the Pareto front is extracted and analyzed. The results indicate that an appropriate choice of thickness and diameter variation functions, coupled with multi-objective optimization, can substantially reduce dynamic stresses while effectively lowering structural weight. Moreover, comparison of the numerical responses with ABAQUS results shows very good agreement, corroborating the accuracy and efficiency of the proposed model. The presented method can serve as an effective tool for the design and optimization of lightweight, high-strength structures in engineering applications, particularly in the aerospace, energy, and automotive sectors.
Keywords
Thin-walled beam, Variable cross-section, Rayleigh–Ritz method, NSGA-II genetic algorithm