آقای محمدمهدی محمدی دانشجوی دکتری جناب آقای دکتر سیدمحمد هاشمی نژاد روز یکشنه 96/02/17 از رساله دکتری خود تحت عنوان "کنترل فعال پدیده تلاطم" دفاع خواهد کرد. این جلسه ساعت 17 روز یکشنبه در آمفی تاتر دانشکده مهندسی مکانیک برگزار خواهد شد.

چکیده:

در رساله حاضر، ابتدا یک رویکرد تحلیلی مناسب و بهینه براساس نظریه خطی امواج سطحی سیال و روش‌های نگاشت‌همدیس و جداسازی متغیرها برای بررسی تلاطم آزاد و اجباری در مخازن افقی دایروی پر شده از سیال ایده‌آل تا عمق دلخواه و مجهز به بافل‌های افقی و عمودی صلب ارائه شده است.   در این بخش اثر عمق سیال، موقعیت و طول بافل‌ها بر بسامدهای تلاطم و همچنین پاسخ گذرای سیستم به دو نوع تحریک عرضی بررسی گردیده است. مشخص گردید که بکارگیری یک جفت بافل افقی جانبی با طول زیاد (نصب شده بر سطح سیال) کارایی بالایی در تمامی عمق‌ها جهت افزایش فرکانس‌های طبیعی سیستم دارد. از سوی دیگر، نصب یک بافل عمودی در کف مخزن ابزار مناسبی برای کنترل فرکانس‌های طبیعی تلاطم مربوط به مود‌های بالا و در نسبت عمق بالای سیال نمی‌باشد. همچنین، افزایش طول بافل‌های عمودی باعث کاهش فرکانس تلاطم شده و منجر به نزدیکی فرکانس‌های سیستم به فرکانس‌های پایین تحریک خارجی و افزایش اثرات هیدرودینامیکی می‌شود. بنابراین با توجه به نقایص موجود در کنترل غیرفعال مانند افزایش وزن مخزن و وابستگی کنترل کننده به تحریک خارجی و با توجه اثر موثرتر بافل‌های پوشاننده سطح سیال، کنترل فعال تلاطم سیال توسط اجزای هوشمند مورد توجه قرار گرفته است.  لذا،در ادامه رساله، یک مدل تحلیلی سه‌بعدی برای بررسی پاسخ گذرای مخزن استوانه‌ای دیواره-صلب مستقر بر بستر الاستیک دو پارامتری در تماس با سیال ایده‌آل متلاطم پیشهاد شده است که در آن سطح سیال به وسیله یک ورق پیزوالکتریک سه‌لایه با شرایط مرزی آزاد بصورت کامل پوشیده شده است.  فرونشاندن نوسانات ورق به وسیله کنترل‌کننده حلقه‌بسته تناسبی-انتگرالی-مشتقی صورت گرفته است و بهره‌های کنترل‌کننده به کمک قابلیت موجود در نرم‌افزار سیمولینک بهینه‌سازی شده‌اند. تبدیل معکوس لاپلاس عددی دوربین جهت محاسبه پارامترهای زمانی پاسخ کنترل‌شده و غیرکنترلی سیستم تحت تحریک خارجی مورد استفاده قرار گرفته است. اثر ورق پیزوالکتریک در حالت فعال و غیرفعال، ارتفاع سیال و چهار نوع تحریک خارجی بر پارامترهای هیدروالاستیک مورد بررسی قرار گرفته است. در این قسمت مشاهده شد که ورق پیزوالکتریک در حالت غیرفعال اثر ناچیزی بر کاهش نوسانات تلاطم در مخزن مستقر بر بستر الاستیک دارد در حالیکه تأثیر کنترل‌کننده فعال مخصوصاً در لحظات اولیه تحریک به خوبی قابل مشاهده می‌باشد. متعاقباٌ، با در نظر گرفتن مخازن جدار نازک با حداقل وزن، تحلیل هیدرو-الاستیک سه بعدی دقیق جهت بررسی تلاطم سیال در یک مخزن استوانه‌ای ایستاده انعطاف‌پذیر که در آن سطح آزاد سیال بوسیله یک ورق شناور سه لایه پیزوالکتریک هوشمند دایروی پوشانده شده است، ارائه شده است. فرمولبندی مسئله بر اساس تئوری پتانسیل خطی، مدل کلاسیک پوسته و ورق نازک (کرشهف/ساندرز)، معادله الکترودینامیک ماکسول، تبدیل استوکس و بسط توابع ویژه در مختصات استوانه‌ای استوار می‌باشد. عملکرد کنترلی با ترکیب پسخورد حجم سرعت و حجم جابجایی  با روش کنترل میرایی فعال  که به کمک دو روش بهینه‌سازی مجزا به منظور نیل به پارامترهای کنترلی بهینه و کاهش حداکثری اهداف کنترلی،  بهینه‌سازی شده است،  بدست می‌آید. پاسخ گذرای کنترل‌شده و غیرکنترلی سیستم هیدروالاستیک، تحت تحریک خارجی مختلف (تحریک پایه هارمونیک، تحریک زلزله، داده‌های تله‌متری پروازی و یک پالس عرضی بر سطح ورق شناور)، به کمک روش عددی معکوس تبدیل لاپلاس دوربین بدست آمده است. علاوه بر این، نوسانات آزاد سیستم برهمکنش سازه/سیال به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته است. در این بخش، عملکرد موفقیت آمیز ورق شناور فعال در فرونشاندن پارامترهای هیدروالاستیک (جابجایی پنل، جابجایی و تنش در پوسته) نشان داده شد و همچنین مشخص گردید که در مسئله کنترلی حاضر، روش بهینه‌سازی چند هدفه تجمع ذرات از لحاظ همگرایی و محاسبات عددی بر روش الگوریتم ژنتیک برتری نسبی دارد.  در نهایت، جهت توسعه مدل ارائه شده به هندسه‌های مختلف، یک تحلیل سه‌بعدی هیدرو-الکترو-الاستیک برای حذف تلاطم حالت گذرای سیال در یک مخزن متوازی السطوح مستطیلی توسط یک ورق شناور مستطیلی پیزوالکتریک هوشمند تحت یک تحریک پایه صفحه‌ای مورب ارائه شده است.  این بخش از مطالعه بر پایه تئوری پتانسیل خطی، مدل ورق نازک کلاسیک (کرشهف)، معادلات الکترومغناطیس ماکسول، روش مودهای نرمال در مختصات کارتزین، استراتژی کنترلی میراسازی فعال و تبدیل معکوس لاپلاس دوربین استوار می‌باشد. جبران‌ساز میرایی فعال بکار گرفته شده از ترکیب خطی پسخوردهای ولتاژ تناسبی و انتگرالی حسگر حجم سرعت با توزیع پیوسته، استفاده می‌نماید. همچنین پارامترهای بهره کنترلی به صورت سیستماتیک بر پایه الگوریتم بهینه‌سازی تجمع ذرات چندهدفه  تنظیم شده‌اند که شامل چند تابع هدف متناقض (به عبارت دیگر، جابه‌جایی پنل و ولتاژ کنترل) می‌باشد. در این قسمت، پارامترهای پاسخ الکترو-الاستیک (به عبارت دیگر، جابه‌جایی پنل، لنگر واژگونی و …) محاسبه شده و برای سه تحریک خارجی متمایز مورد بحث قرار گرفته است. کارایی روش کنترل ورق شناور هوشمند پیشنهادی در کاهش قابل ملاحظه پارامترهای اساسی هیدرو-الاستیک، صرف نظر از شکل بارگذاری و عمق سیال، نشان داده شده است.

به عنوان مهمترین نتیجه مشخص گردید که استفاده از ورق شناور هوشمند، همراه با روش کنترل میرایی فعال و با استفاده از بهینه‌سازی هدفمند پارامترهای کنترلی، بدون توجه به هندسه مخزن و نوع بارگذاری، می‌تواند اثرات قابل ملاحظه‌ای بر کاهش اثرات زیان‌بار تلاطم سیال در مخازن داشته باشد و به عنوان یک روش موثر در کاربردهای عملی مورد استفاده قرار گیرد. همچنین، مدل تحلیلی کوپل کامل پیشنهادی می‌تواند به شکل مناسب خصوصیات برهم‌کنش میان نوسانات سازه و سیال داخل مخزن را توصیف کند. به علاوه مدل ارائه شده از  نظر آکادمیک و صنعتی دارای اهمیت بوده و به عنوان یک مسئله پایه در حل مسائل هیدروالاستیک تلقی می‌شود. علاوه بر این، در مدل‌سازی‌های ارائه شده، علی‌رغم پیچیدگی مسئله هیدروالاستیک مخازن با اجزای هوشمند، از روش‌های تقریبی مانند روش جرم و فنر چند درجه آزادی، اجتناب گردیده است. در پایان، روش کنترل فعال پیشنهادی، قابلیت کاربرد جهت کاهش موثر اثرات تلاطم سیال خصوصا در وسایل حمل‌ونقل فضایی، موشک‌های حامل و همچنین مخازن نگه‌داری سوخت را دارا می‌باشد. در تمام مراحل این پژوهش، اعتبار مدل‌ها و نتایج ارائه شده با نرم افزارهای تجاری و نتایج عددی/تجربی موجود، در حالت کلی و حالت‌های حدی مورد توجه قرار گرفته و تطابق مناسبی با نتایج حاضر به دست آمده است. 

واژه‌های کلیدی: ورق شناور هوشمند،کنترل فعال، عملگر پیزوالکتریک، بهینه سازی تجمع ذرات، تحلیل تلاطم گذرا، مخازن ذخیره/انتقال سیال، برهمکنش سازه/سیال، سازه های انعطاف پذیر، بستر الاستیک، تحریک زلزله.