دانلود مقاله ISI انگلیسی شماره 27990
ترجمه فارسی عنوان مقاله

انتقال تنش کشش‌دار در سیستم‌های سلولی- تحلیل انتشار موج

عنوان انگلیسی
Elastic stress transmission in cellular systems—Analysis of wave propagation
کد مقاله سال انتشار تعداد صفحات مقاله انگلیسی
27990 2008 25 صفحه PDF
منبع

Publisher : Elsevier - Science Direct (الزویر - ساینس دایرکت)

Journal : International Journal of Impact Engineering, Volume 35, Issue 8, August 2008, Pages 845–869

فهرست مطالب ترجمه فارسی
چکیده


کلمات کلیدی


1. مقدمه


2. تحلیل نظری برای انتشار موج ارتجاعی در حلقه دایره‌ای نازک


1.2. نظارت بر معادله‌ها و پراکندگی موج‌های هماهنگ


2.2. راه‌حل‌های تقریبی برای معادله ویژگی ناظر


1.2.2. راه‌حل‌های تقریبی برای موج‌های خمش 


راه‌حل‌های صریح تقریبی برای موج‌های خمش 


2.2.2. راه‌حل‌های تقریبی برای موج‌های رسانش


3.2.2. راه‌حل‌های تقریب برای موج‌های برش


3.2. مشخصات موج‌های خمش، برش و رسانش در حلقه‌های نازک


1.3.2. ویژگی‌های موج برشی


2.3.2. ویژگی‌های موج‌های رسانش


3. مقایسه بین نتایج آزمایشی و نظری


4. بحث


5. نتیجه‌گیری
ترجمه کلمات کلیدی
انتشار امواج الاستیک - ساختارهای سلولی - امواج خمشی
کلمات کلیدی انگلیسی
Elastic wave propagation, Cellular structures, Flexural waves
ترجمه چکیده
آرایه بسته‌بندی شده دقیق از حلقه‌هایی با دیواره نازک آرمانی‌سازی ساختارهای سلولی را تشکیل می‌دهد. انتشار موج ارتجاعی به واسطه این ساختارها باید از طریق دیوارها (سلول) حلقه انجام شود. بررسی نظری درباره پراکندگی تنش ارتجاعی در حلقه‌های دایره‌ای با دیواره نازک انجام شد تا ماهیت انتقال موج بررسی شود. سه حالت حرکتی، متناظر با موج‌های برش، رسانش و خمش ثبت شده‌اند و سرعت متناظرشان با معادله مشخصه مکعبی تعریف می‌شود. نتایج نشان می‌دهند هر سه موج پراکنشی هستند. با نادیده گرفتن رسانش محور مرکزی و اینرسی چرخشی، راه‌حل‌های تقریبی صریح را می‌توان برای موج‌های خمش به دست آورد. استفاده از رویکرد لاو برای موج‌های رسانش [لاو AEH. پیمانی درباره نظریه ریاضی ارتجاعی، ویرایش چهارم، نیویورک: انتشارات داور؛ 1944، ص. 3-452] راه‌حل‌های تقریبی را برای هدایت موج‌های برش ممکن می‌سازد. سه راه‌حل مسئله تقریبی منتج به خوبی توافق با راه‌حل‌های دقیق معادله مشخصه را در طیف وسیعی از طول موج‌ها نشان می‌دهد. تاثیرات ویژگی مادی، ضخامت دیواره حلقه و قطر حلقه در سه حالت بررسی شدند، و نتایج موج‌های خمش را ابزارهای غالب انتقال انرژی ارتجاعی در این ساختارهای سلولی تلقی می‌کنند. سرعت موج متناظر با مولفه‌های فرکانس متفاوت از نتایج آزمایشی در مقایسه با پیش‌بینی‌های نظری سرعت گروه‌بندی برای موج‌های خمش و همبستگی مناسب بین داده‌های آزمایشی به دست آمدند و نظریه این نتیجه‌گیری را تایید می‌کند. © 2008 شرکت مسئولیت محدود الزویر. تمام حقوق محفوظ است.
ترجمه مقدمه
آرایه‌های بسته‌بندی شده حلقه‌های دایره‌ای را می‌توان بازنمایی آرمانی از ساختارهای سلولی تلقی کرد که بررسی انتشار موج ارتجاعی را در ساختارهای سلولی تسهیل می‌کند. پژوهش آزمایشی قبلی برای بررسی ماهیت انتقال تنش ارتجاعی به واسطه آرایه‌های حلقه‌های فلزی انجام شد [2]. برای رسیدن به بینش‌های دیگر درباره مشخصات این انتشار موج، تحلیل نظری حرکت موج ارتجاعی در حلقه‌های دایره‌ای با دیواره نازک انجام می‌شود و نتایج با داده‌های آزمایشی قبلی مقایسه می‌شود. چند محقق انتشار موج ارتجاعی را در راهنمای موج منحنی مطالعه کردند؛ لاو [1، 3] نظریه تقریبی را برای حرکت موج ارتجاعی در سیم مارپیچی و حلقه ایجاد کرد. او اینرسی چرخشی و برش شعاعی را نادیده گرفت و خمش را از حرکت رسانش جدا کرد- هنگام ملاحظه حرکت خمش، محور مرکزی حلقه نارساندنی تلقی شد، در حالی که هنگام ملاحظه حرکت رسانش، رفتار خمش نادیده گرفته شد. والتکینگ [4] نظریه لاو را [1، 3] را با ملاحظه رسانش محور مرکزی تعمیم داد، در حالی که فیلیپسون [5] اینرسی چرخشی را یکپارچه کرد. این نظریه‌های تقریبی تنها برای فرکانس‌های پایین (طول موج‌های بلند) کاربردی بود؛ برای فرکانس‌های بالا، اثر برش شعاعی باید ملاحظه شود. مورلی [6] و گراف [7] تمام این عامل‌ها را – رسانش محور مرکزی، اینرسی چرخشی و برش شعاعی- در بررسی خود روی حرکت موج در پرتو منحنی گنجاندند، در حالی که ویتریک [8] انتشار موج را در فنر مارپیچ با انحنای کوچک مطالعه کرد. همه آنها سه حالت حرکتی را پیش‌بینی کردند- برش شعاعی، خمش و رسانش محوری. نظریه‌های مورلی [6] و گراف [7] برای حلقه‌های ضخیم کاربردی هستند، در حالی که نظریه ویتریک [8] تنها برای حلقه‌هایی با دیواره ضخیم معتبر هستند. هاینس و همکاران [9] راه‌حل‌های دقیق برای انتشار موج در حلقه‌هایی با دیواره ضخیم تحت شرایط تنش صفحه تعمیم‌یافته فراهم کردند و مشخصات موج‌های برش، رسانش و خمش را بررسی کردند. علاوه بر این، او نظریه تقریب [10] را برای حلقه‌هایی با دیواره ضخیم ایجاد کرد، بدان وسیله معادله ناظر معادل با تحلیل ویتریک [8] برای کویل مارپیچ با زاویه گام صفر درجه است. از مقایسه با نظریه دقیق، هاینس نشان داد که با انتخاب مناسب ضریب اصلاح برش، نظریه تقریب برای همین بازه فرکانس درست است که نظریه پرتو تیموشنکو برای میله‌های راست اجرا می‌کند. برای شرایط مرزی و ابتدایی خاص، معادله‌های دیفرانسیل ناظر بر حرکت موج در راهنماهای موج منحنی نیز به صورت عددی حل شدند. فیلپس، کراولی و تایلور [11، 12] از روش مشخصات برای حل معادله مورلی برای حرکت پرتو منحنی تابع بارگیری پالس استفاده کردند، و نتایج عددی توافق مناسبی با آزمایش‌های عکس-ارتجاعی داشتند. شیم و کواه [13، 14] از نظریه نوع-تیموشنکو، همراه با روش مشخصات، برای تحلیل واکنش ارتجاعی به حلقه دایره‌ای تابع تاثیرگذاری شعاعی استفاده کردند و تاثیرات خمش حلقه، هندسه مقطعی و دوره تاثیرگذاری بر نیروی برش منتج، نیروی شعاعی و پراکندگی گشتاور خمش و همچنین تغییرشکل حلقه را بررسی کردند. نتایج نظری‌شان همبستگی مناسب با آزمایش‌های تاثیرگذاری بر حلقه‌های آلومینیومی و برنجی داشت. حلقه دایره‌ای واحد پایه آرایه‌های حلقه است که در آزمایش‌های قبلی مطالعه شدند [2]، و انتشار پراکندگی ارتجاعی به واسطه این آرایه‌ها را می‌توان به واسطه تحلیل موج بررسی کرد. در این پژوهش، نظریه نوع-تیموشنکو برای تحلیل پراکندگی موج در حلقه دایره‌ای با دیواره نازک اجرا شد، همراه این دیدگاه که این کار برای درک انتقال بارگیری ارتجاعی به واسطه ساختارهای سلولی با تراکم نسبی کم مفید است. هدف تعیین این مطلب است که کدام حالت حرکت- برش، رسانش یا خمش- عمده انرژی ارتجاعی را انتقال می‌دهد. ابتدا نتیجه‌گیری برای معادله ناظر برای حرکت موج انجام شد و معادله ویژگی مکعبی با استفاده از تحلیل موج هماهنگ ثبت شد. روش‌های تکراری استاندارد (روش نیوتون-رافسون) برای به دست آوردن سرعت متناظر با سه حالت انتشار موج اجرا شدند؛ در ادامه ویژگی‌های پراکندگی موج بررسی شدند. راه‌حل‌های تقریبی در شکل صریح برای سرعت موج ایجاد شد، و تاثیرات ویژگی مادی، ضخامت دیواره حلقه و قطر حلقه در این مرحله و سرعت‌های گروه‌بندیی مطالعه شدند. در نهایت، نتایج آزمایشی برای سرعت موج متناظر با فرکانس‌های مختلف با پیش‌بینی‌های نظری برای سرعت گروه‌بندی موج خمش مقایسه شدند.
پیش نمایش مقاله
پیش نمایش مقاله  انتقال تنش کشش‌دار در سیستم‌های سلولی- تحلیل انتشار موج

چکیده انگلیسی

A closely packed array of thin-walled rings constitutes an idealisation of a cellular structure. Elastic waves propagating through such structures must do so via the ring (cell) walls. A theoretical investigation into the propagation of elastic stresses in thin-walled circular rings is undertaken to examine the nature of wave transmission. Three modes of motion, corresponding to shear, extensional and flexural waves, are established and their respective velocities defined by a cubic characteristic equation. The results show that all three waves are dispersive. By neglecting extension of the centroidal axis and rotary inertia, explicit approximate solutions can be obtained for flexural waves. Employment of Love's approach for extensional waves [Love AEH. A treatise on the mathematical theory of elasticity, 4th ed. New York: Dover Publications; 1944. p. 452–3] enables approximate solutions for shear waves to be derived. The three resulting approximate solutions exhibit good agreement with the exact solutions of the characteristic equation over a wide range of wavelengths. The effects of material property, ring wall thickness and ring diameter on the three wave modes are discussed, and the results point to flexural waves as the dominant means of elastic energy transmission in such cellular structures. Wave velocities corresponding to different frequency components determined from experimental results are compared with theoretical predictions of group velocity for flexural waves and good correlation between experimental data and theory affirms this conclusion.

مقدمه انگلیسی

Tightly packed arrays of circular rings can be considered idealised representations of cellular structures and facilitate investigation of elastic wave propagation in cellular systems. A previous experimental study has been conducted to examine the nature of elastic stress transmission through arrays of metal rings [2]. To obtain further insights into the characteristics of such wave propagation, a theoretical analysis of elastic wave motion in thin-walled circular rings is undertaken and the results are compared with the experimental data obtained previously. Elastic wave propagation in a curved waveguide has been studied by a number of researchers; Love [1] and [3] developed an approximate theory for elastic wave motion in a helical wire and a ring. He neglected rotary inertia and radial shear, and uncoupled flexural from extensional motion—the centroidal axis of the ring was assumed to be inextensible when considering the flexural motion, while flexural behaviour was ignored when considering extensional motion. Waltking [4] extended Love's theory [1] and [3] by considering extension of the centroidal axis, while Philipson [5] incorporated rotary inertia. These approximate theories were only applicable to low frequencies (long wavelengths); for high frequencies, the effect of radial shear must be considered. Morley [6] and Graff [7] incorporated all three factors—centroidal axis extension, rotary inertia and radial shear—in their investigation of wave motion in a curved beam, while Wittrick [8] studied wave propagation in a helical spring of small curvature. They all predicted three modes of motion—radial shear, flexure and axial extension. Theories by Morley [6] and Graff [7] are applicable to thick rings, while the theory of Wittrick [8] is only valid for thin-walled rings. Haines et al. [9] provided exact solutions for wave propagation in thin-walled rings under conditions of generalised plane stress and discussed the characteristics of shear, extensional and flexural waves. He also developed an approximate theory [10] for thin-walled rings, whereby the governing equation is equivalent to Wittrick's analysis [8] for a helical coil with a 0° pitch angle. From comparison with exact theory, Haines showed that with an appropriate choice of a shear correction factor, the approximate theory is accurate for the same frequency range that Timoshenko beam theory applies for straight bars. For specific initial and boundary conditions, the differential equations governing wave motion in curved waveguides have also been solved numerically. Phillips, Crowley and Taylor [11] and [12] used the method of characteristics to solve Morley's equation for motion of a curved beam subjected to pulse loading, and the numerical results displayed good agreement with photo-elasticity experiments. Shim and Quah [13] and [14] employed Timoshenko-type theory, coupled with the method of characteristics, to analyse the elastic response of a circular ring subjected to radial impact, and examined the effects of ring curvature, cross-section geometry and impact duration on the resulting shear force, axial force and bending moment distributions, as well as ring deformation. Their theoretical results exhibited good correlation with experiments involving impact on brass and aluminium rings. A circular ring is the basic unit of the ring arrays studied in previous experiments [2], and propagation of elastic disturbances through such arrays can be examined via wave analysis. In this investigation, Timoshenko-type theory is applied to analyse wave propagation in a thin-walled circular ring, with the perspective that this will be useful in understanding the transmission of elastic loading through cellular structures of low relative density. An objective is to determine which mode of motion—shear, extension or flexure—conveys most of the elastic energy. The governing equation for wave motion is first derived and a cubic characteristic equation is established using harmonic wave analysis. Standard iterative procedures (Newton–Raphson method) are applied to obtain the velocities corresponding to the three modes of wave propagation; wave dispersion characteristics are then examined. Approximate solutions in explicit form for wave velocities are also developed, and the effects of material property, ring wall thickness and ring diameter on the phase and group velocities are studied. Finally, experimental results for wave speeds corresponding to different frequencies are compared with theoretical predictions for flexural wave group velocities.

نتیجه گیری انگلیسی

An analysis of elastic wave propagation in thin-walled circular rings, using Timoshenko-type theory that incorporates rotary inertia and shear effects was undertaken. The velocities of three wave modes based on this fundamental theory—shear, extension and flexure—are captured by a cubic characteristic equation, which requires numerical evaluation via iterative methods. The analysis shows that all the waves are dispersive. To obtain acceptable approximate solutions for flexural waves, the effects of extension of the centroidal axis, rotary inertia and transverse shear were analysed to identify which are negligible. The results show that extension of the centroidal axis has negligible effect on flexural waves and the effect of rotary inertia is also not significant. However, shear cannot be neglected. From this, approximate explicit solutions for both phase and group velocities of flexural waves were obtained by neglecting extension of the centroidal axis as well as rotary inertia. The resulting simplified solutions for flexural waves and Love's approximate analysis for extensional waves [1] were incorporated into the characteristic equation, from which approximate solutions for the shear wave were derived. The three approximate solutions exhibited good agreement with the fundamental theory. The effects of material properties, ring wall-thickness and ring diameter on the phase and group velocities for the three wave modes were discussed, and the results point to flexural waves as the primary means of conveying elastic energy through ring array structures. Wave velocities of different frequency components determined from an earlier experimental study [2] were compared with theoretical predictions of flexural wave group velocities based on the present analysis. This yielded good correlation, confirming that flexural waves constitute the dominant mode of elastic load transmission in thin-walled ring arrays. The results obtained provide useful insights into elastic wave transmission through other thin-walled cellular structures such as honeycombs and cellular materials such as foams.