بهینه‌سازی روتور یک موتور مینی توربوجت با استفاده از مواد هدفمند تابعی

محمد سهیل صادقی نژاد نجف آبادی¹ بهروز شهریاری² پژمان محمودی³

1) دانشجوی دکتری، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان،
2) استادیار، مجتمع دانشگاهی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر،
3) دانشجوی کارشناسی ارشد، مجتمع دانشگاهی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

محل انتشار : پنجمین کنفرانس بین المللی پژوهش در علوم و مهندسی و دومین کنگره بین المللی عمران، معماری و شهرسازی آسیا(5icrsie.com)
چکیده :
سازه‌های دوار در صنایع مختلفی نظیر صنایع مکانیک، هوافضا، نیروگاه‌ها، هسته‌ای و کشتیرانی به‌طور گسترده مورداستفاده قرار میگیرند. از مهمترین کاربردهای سازه‌های دوار در صنایع هوافضا، می‌توان به استفاده در انواع موتورهای هوایی از جمله موتورهای مینی توربوجت و اجزای تشکیل‌دهنده آنها یعنی توربینها و کمپرسورها اشاره کرد. یکی از این پرکاربردترین این سازه‌های دوار، که در این پژوهش موردبررسی قرار خواهد گرفت، سازه روتور مورداستفاده در یک موتور مینی توربوجت مفروض است که با توجه به هندسه آن، به‌منظور انجام تحلیل و طراحی اولیه به‌صورت یک پوسته استوانه دوار جدار ضخیم و همگن مدل‌سازی و بررسی خواهد شد. استوانه موردبحث در موتور هوایی مفروض تحت بارگذاری مکانیکی قرار دارد. بارگذاری مکانیکی شامل اثر ناشی از دوران استوانه و بار گریز از مرکز ناشی از دوران پره‌های قرارگرفته در سطح خارجی است. همچنین شرایط مرزی استوانه به‌صورت دو‌سرگیردار در نظر گرفته‌شده است. حل دقیق روتور مفروض با استفاده از تئوری الاستیک صفحه‌ای موردبررسی قرارگرفته است. ابتدا معادلات تنش و جابجایی با استفاده از روابط کرنش صفحه‌ای تئوری الاستیک صفحه ای استخراج‌شده است. با توجه به اینکه روتور درصد بالایی از وزن و هزینه‌ی مواد اولیه موردنیاز جهت ساخت سازه موتور را به خود اختصاص می‌دهد، لذا کاهش وزن سازه‌ی روتور و به‌تبع آن کل موتور موجب افزایش بازده موتور و کاهش در هزینه‌های نهایی می‌گردد که این امر از اهمیت بالایی برخوردار است. یکی از روش‌های مورداستفاده در ارتقا خواص سازه‌های مکانیکی تغییر در جنس اولیه بکار رفته در سازه است. مواد هدفمند تابعی مواد جدیدی هستند که با توجه به متغیر بودن خواص آن‌ها در نقاط مختلف جنس موردتوجه طراحان قرارگرفته است. ازاین‌رو در ادامه با توجه به تأثیر قابل‌توجه وزن در طراحی سازه‌های هوایی و تلاش طراحان قطعات هوایی به جهت کاهش وزن نهایی سازه بدون افت کارکرد سازه از روش بهینه‌سازی شمارشی به جهت بهینه‌سازی ابعادی سازه در راستای رسیدن به کمینه وزن ممکن یا بیشینه ضریب اطمینان طبق محدودیت‌ها و قیود طراحی موجود استفاده‌شده است. بنابراین تحلیل سازه روتور هدفمند تابعی با شرایط مرزی مشابه با حالت همگن اولیه به‌طور جداگانه بررسی خواهد شد. به جهت اعمال بهینه‌سازی، متغیر طراحی جنس سازه مفروض است که بجای جنس همگن اولیه از ماده هدفمند تابعی استفاده می‌گردد. نتایج حاکی از آن است که انتخاب و جایگزینی ماده هدفمند با ضریب مناسب می‌تواند منجر به بهبود قابل‌توجه ضریب اطمینان و وزن سازه اولیه شود.
کلمات کلیدی : روتور تحلیل الاستیک تئوری الاستیک صفحه ای بهینه‌سازی ضریب اطمینان سازه دوار