تحليل تنش‌هاي مكانيكي-حرارتي در ديسك‌هاي دوار با ضخامت و خواص متغير در راستاي شعاعي

Thermo-Mechanical Stress Analysis in a Rotating Radially Graded FG-Disc with Non-Uniform Thickness

در اين پژوهش ابتدا معادلات حاكم بر توزيع دما و تحليل تنش‌هاي مكانيكي و حرارتي در يك ديسك دوار با ضخامت و خواص متغير در راستاي شعاعي استخراج مي‌شوند. تمامي خواص مكانيكي و حرارتي ماده بر اساس يك تابع تواني تغيير مي‌كنند بطوريكه كه كسر حجمي ماده در راستاي شعاعي بين دو مقدار دلخواه تغيير مي‌كند. در استخراج معادلات حرارت، انتقال حرارت همرفتي از طريق سطوح دو طرف ديسك نيز در نظر گرفته مي‌شوند و شرايط مرزي حرارتي ديسك به شكل شرايط دما ثابت در لبه‌ي داخلي و انتقال حرارت همرفتي در لبه‌ي خارجي ديسك در نظر گرفته مي‌شود. تغييرات ضريب انتقال حرارت همرفتي در راستاي شعاعي و وابستگي آن به سرعت زاويه اي ديسك نيز در نظر گرفته شده‌اند. با توجه به پيچيدگي‌هاي موجود در معادلات، از روش تفاضلات مربعي براي حل تمامي معادلات استفاده شده و توزيع دما و مولفه‌هاي تنش و جابجايي در ديسك بدست خواهند آمد. در نهايت تاثير چگونگي تغييرات ضخامت و خواص ماده در راستاي شعاعي بر روي توزيع دما، تنش و جابجايي در ديسك بررسي مي‌گردد. در نهايت با استفاده از مدل تامورا - توموتا - اوزاوا و از طريق مقايسه‌ي تنش‌ها با مقادير مجاز بدست آمده، تسليم يا عدم تسليم در نقاط مختلف ديسك بررسي مي‌گردد.

In this paper, according to one-dimensional heat transfer rules and two-dimensional elasticity theory, the set of governing equation on temperature and thermo-mechanical stresses in a rotating radially graded FG-disc with non-uniform thickness are derived. All mechanical and thermal properties of the material including elastic modulus, Poisson’s ratio, density and thermal conductivity and expansion coefficients are considered to be graded radially according to a power law function; The volume fraction changes in radial direction between two desired values. In thermal analysis, convention heat transfer through two sides of the disc are considered and thermal boundary conditions are considered as constant temperature at inner edge and convention heat transfer at outer one. In order to increase the accuracy of analysis, variation of convective heat transfer coefficient in radial direction and its dependency on the rotating speed are considered. Considering complexity in equations, differential quadrature method (DQM) is used as strong approach and both thermal and mechanical equations are solved numerically. Effect of various parameters such as rotating speed, variation of thickness and power law index on the distribution of temperature, stress and deflection of the disc are investigated. Also, based on the Tamura-Tomota-Ozawa model (TTO), yield strength of the disc is derived and its elastic and plastic parts are detected.