Loading...

Conceptual Design and Performance Simulation of a Vibration Measurement Device for Modal Analysis of Rotating Cylindrical Shells

Gharebaghi, Taha | 2023

104 Viewed
  1. Type of Document: M.Sc. Thesis
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 56239 (08)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Mechanical Engineering
  6. Advisor(s): Saadat Foumani, Mahmoud
  7. Abstract:
  8. Cylindrical shells play an important role in a wide range of engineering applications such as mechanics, aerospace, marine engineering, and nuclear applications due to their high load-carrying capacity, light structure, and economic advantages. Because these structures are often made of high lengths and thin sheets, they are very prone to vibration, especially under the conditions that they play a role in the rotating state, which can cause failure. For the reasons mentioned, the vibration analysis of rotating cylindrical shells will be essential in engineering designs. In the present study, after introducing general concepts regarding the analysis of structural vibrations, previous research conducted in this field has been investigated. Despite various methods and facilities available for experimental analysis of structural vibrations and extensive research on the theoretical analysis of vibrations in rotating cylindrical shells, researchers have not focused on the experimental analysis of vibrations in these structures, so This issue will be the subject of investigation in the present study. In this regard, the performance requirements of a device for achieving the objective of present study have been mentioned, and four designs and ideas with different functional methods have been proposed and investigated. Subsequently, for placing the natural frequencies of the structure with circumferential modes within a limited and minimum frequency range next to each other, dimensional analyzes have been performed, and the dimensions of the shell have been determined in a way that facilitates the process of vibration analysis. Finally, forced vibration simulations of the rotating cylindrical shell have been performed for different excitation methods using the finite element method. By analyzing the results of these simulations, design considerations for suitable excitation and data acquisition for the shell have been obtained. It was found that exciting the shell using electromagnetic methods would result in less noise in the low-frequency data acquisition for frequency response results of vibrations. Another result of this study is the development of a method to improve the accuracy of the mode shapes obtained by the device, which is based on predicting vibrations. With this method, it is possible to perform modal testing of rotating cylindrical shells with greater ease and at a lower cost. Finally, a detailed design with superior features for the device has been presented
  9. Keywords:
  10. Rotating Cylindrical Shell ; Modal Test ; Signal Processing ; Finite Element Method ; Conceptual Design ; Vibrational Analysis ; Structural Vibration ; Operational Ideas

 Digital Object List

 Bookmark

  • چکیده
  • فهرست مطالب
  • فهرست شکل‌ها
  • فهرست جدول‌‌ها
  • 1 فصل اول: مقدمه
    • 1-1 اهمیت موضوع و تعریف مسئله
    • 1-2 ادبیات موضوع
    • 1-3 اهداف پژوهش
    • 1-4 ساختار گزارش
  • 2 فصل دوم: مفاهیم پایه
    • 2-1 آزمون مدال
      • 2-1-1 مفهوم شکل‌مد
      • 2-1-2 مفهوم پاسخ فرکانسی
    • 2-2 روش‌های محاسبه پاسخ فرکانسی
      • 2-2-1 محاسبه پاسخ فرکانسی به روش تجربی
        • 2-2-1-1 مفهوم تبدیل فوریه
        • 2-2-1-2 مفهوم کرولیشن
        • 2-2-1-3 مفهوم ویندو
        • 2-2-1-4 مفهوم طیف فرکانسی
      • 2-2-2 پاسخ فرکانسی در روابط تئوری
      • 2-2-3 پاسخ فرکانسی رابط بین یافته‌های تجربی و مجهولات روابط تئوری
    • 2-3 تحلیل ارتعاشی به روش المان‌های محدود
    • 2-4 انواع حسگرها برای سنجش ارتعاشات
      • 2-4-1 ارتعاش‌سنج‌های غیرتماسی
        • 2-4-1-1 حسگرهای جریان‌گردابی
        • 2-4-1-2 حسگرهای لیزری LDV
      • 2-4-2 ارتعاش‌سنج‌های تماسی [21]
        • 2-4-2-1 حسگرهای شتاب‌سنج پیزوالکتریک :
        • 2-4-2-2 حسگرهای شتاب‌سنج پیزورزیستیو :
        • 2-4-2-3 حسگرهای شتاب‌سنج خازنی :
    • 2-5 تحریک سازه در آزمون مدال
      • 2-5-1 تحریک چکش
      • 2-5-2 تحریک شیکر
      • 2-5-3 تحریک تکیه‌گاه
    • 2-6 تعلیق سازه در آزمون مدال
  • 3 فصل سوم: مرور ادبیات
    • 3-1 روش‌های سنجش ارتعاشات
      • 3-1-1 ارتعاش‌سنجی غیرتماسی
      • 3-1-2 ارتعاش‌سنجی تماسی
    • 3-2 تحلیل‌های ارتعاشات سازه‌ها
      • 3-2-1 تحلیل ارتعاشات سازه‌ها به روش‌های تجربی
      • 3-2-2 تحلیل تئوری ارتعاشات پوسته‌های استوانه‌ای دوار
        • 3-2-2-1 پوسته‌های استوانه‌ای
        • 3-2-2-2 پوسته‌های مخروطی
        • 3-2-2-3 پوسته‌های استوانه‌ای متصل‌به‌هم
    • 3-3 اثرات دوران بر مشخصه‌های ارتعاشی سازه‌ها
    • 3-4 نتیجه‌گیری
  • 4 فصل چهارم: ارائه طرح‌های مفهومی برای دستگاه پژوهش
    • 4-1 مقدمه
    • 4-2 مطلوبات عملکردی دستگاه پژوهش
    • 4-3 معادل‌سازی پوسته‌‌ی استوانه با سیستم ارتعاشی چند درجه آزادی
    • 4-4 طرح‌های مفهومی ارائه‌شده برای دستگاه پژوهش
      • 4-4-1 طرح مفهومی اول
      • 4-4-2 طرح مفهومی دوم
      • 4-4-3 طرح مفهومی سوم
      • 4-4-4 طرح مفهومی چهارم
    • 4-5 نتیجه‌گیری
  • 5 فصل پنجم: طراحی ابعاد مناسب برای پوسته‌ی استوانه‌ای
    • 5-1 مقدمه
    • 5-2 تحلیل فرکانس‌های طبیعی پوسته استوانه‌ای دوار
    • 5-3 پارامتر‌های بی‌بعد در پوسته‌های استوانه‌ای دوار
    • 5-4 صحت‌سنجی روش المان محدود برای فرکانس‌های طبیعی
    • 5-5 اثر دوران بر فرکانس‌های طبیعی پوسته
    • 5-6 اثر پارامتر‌های هندسی بر فرکانس‌های طبیعی پوسته
      • 5-6-1 اثر ضخامت
      • 5-6-2 اثر طول
      • 5-6-3 اثر شعاع
    • 5-7 تحلیل انتخاب دور دورانی
    • 5-8 نتیجه‌گیری
  • 6 فصل ششم: شبیه‌سازی ارتعاشات اجباری و آزمون مدال
    • 6-1 مقدمه
    • 6-2 شرح مدل المان محدود
      • 6-2-1 اجزای شبیه‌سازی ارتعاشات اجباری
      • 6-2-2 سازه و ابعاد
      • 6-2-3 نقاط و دستگاه‌های مختصات تعریف‌شده
      • 6-2-4 شرایط تکیه‌گاهی
      • 6-2-5 سرعت دورانی
      • 6-2-6 تنظیمات حلگر
        • 6-2-6-1 اثر زمان شبیه‌سازی
        • 6-2-6-2 اثر فرکانس شبیه‌سازی
      • 6-2-7 تعریف تحریک وارده بر سازه
        • 6-2-7-1 تحریک شیکر الکترومغناطیسی
        • 6-2-7-2 تحریک چکش
        • 6-2-7-3 تحریک تکیه‌گاه
      • 6-2-8 مش‌بندی مدل المان محدود
      • 6-2-9 فرکانس‌های طبیعی سازه به روش تحلیل مدال و منطق ارزیابی طرح‌ها برای دستگاه ‌پژوهش
    • 6-3 شرح اجزای آزمون مدال و پردازش داده‌ها
    • 6-4 نتایج و بحث
      • 6-4-1 نتایج تحریک شیکر الکترومغناطیسی
        • 6-4-1-1 داده‌های ارتعاش در حوزه زمان و فرکانس
        • 6-4-1-2 نتایج تحلیل مدال پوسته‌ی استوانه‌ای دوار در حالت ایده‌آل
        • 6-4-1-3 نتایج تحلیل مدال پوسته‌ی استوانه‌ای در فرکانس‌های داده‌برداری پایین
      • 6-4-2 روش کاهش نویز در نمودار‌های پاسخ فرکانسی
      • 6-4-3 ارائه روش برای افزایش دقت شکل‌مدها و سادگی طرح دستگاه ‌پژوهش
      • 6-4-4 نتایج تحریک چکش
        • 6-4-4-1 نتایج تحلیل مدال پوسته‌ی استوانه‌ای
      • 6-4-5 نتایج تحریک تکیه‌گاه
        • 6-4-5-1 نتایج تحلیل مدال پوسته‌ی استوانه‌ای
    • 6-5 نتیجه‌گیری
  • 7 فصل هفتم: نتیجه‌گیری و ارائه طرح مفهومی
    • 7-1 شرح شرایط حاکم بر پوسته در دستگاه پژوهش
    • 7-2 فرکانس‌های طبیعی پوسته
    • 7-3 طراحی سامانه‌ی تکیه‌گاهی دوار برای پوسته‌ی استوانه‌ای
      • 7-3-1 تکیه‌گاه پوسته‌ی استوانه‌ای دوار
      • 7-3-2 سامانه محور نگه‌دارنده تکیه‌گاه پوسته‌ی استوانه‌ای دوار
      • 7-3-3 پایه‌ی متصل به زمین
    • 7-4 انتخاب المان‌های ایجاد دوران
    • 7-5 داده‌برداری ارتعاشات
      • 7-5-1 داده‌برداری ارتعاشات نقاط محیطی
      • 7-5-2 داده‌برداری ارتعاشات در تکیه‌گاه
      • 7-5-3 طراحی اجزا‌ی داده‌برداری
    • 7-6 سامانه‌ی تحریک پوسته‌ی استوانه‌ای دوار
      • 7-6-1 مکانیزم خنثی‌کننده دوران در محل محور پوسته
      • 7-6-1 سامانه‌ی تبدیل‌کننده حرکت محوری به حرکت شعاعی دوار و اجزای آن
      • 7-6-2 محور برای انتقال دوران به تکیه‌گاه اهرم تبدیل حرکت محوری به شعاعی
      • 7-6-3 پایه‌ی سامانه‌ی تحریک
    • 7-7 کلام آخر و ادامه‌ی مسیر تحقیقات آتی
    • مراجع
  • 8 پیوست‌ها
    • پیوست ۱:
    • پیوست 2:
    • پیوست 3:
  • 1 1. مقدمه
  • 2 2. فرکانس‌های طبیعی و صحت سنجی
  • 3 3. شرح مطلوبات عملکردی دستگاه
  • 4 4. ایده‌های عملکردی برای دستگاه پژوهش
    • 4-1 ایده‌ی اول
    • 4-2 ایده‌ی دوم
    • 4-3 ایده‌ی سوم
    • 4-4 ایده‌ی چهارم
  • 5. مطالعه‌ی پارامتری پوسته‌ی استوانه‌ای
    • 5-1 اثر دوران بر فرکانس‌های طبیعی پوسته
    • 5-2 اثر ضخامت
    • 5-3 اثر طول
    • 5-4 اثر شعاع
  • 5 6. شبیه‌سازی ارتعاشات پوسته‌ی استوانه‌ای
    • 5-1 تحریک شیکر الکترو‌مغناطیسی
  • 6 7. ارائه روش برای افزایش دقت دستگاه با پیش بینی ارتعاشات
    • 6-1 تحریک چکش
    • 6-2 تحریک تکیه‌گاه
  • 7 8. ارائه‌ی طرح مفهومی برای دستگاه پژوهش
...see more