فهرست مطالب

روش های عددی در مهندسی - سال سی و ششم شماره 2 (زمستان 1396)

نشریه روش های عددی در مهندسی
سال سی و ششم شماره 2 (زمستان 1396)

  • تاریخ انتشار: 1396/12/15
  • تعداد عناوین: 9
|
  • محمدرضا راستان *، احمد سوهانکار صفحات 1-20
    در بخش نخست، جریان دو بعدی کانال نیم موجی در عدد رینولدز 104 و شرایط بدون لغزش (سطح آبدوست) توسط برخی مدل های آشفتگی عدد رینولدز پایین و همچنین مدل رینولدز بالای k-ε شبیه سازی شده و مدل مناسب آشفتگی (1998 k-ω) معرفی شده است. سپس برای ارزیابی روش حل انتخاب شده و هماهنگی آن با شرط لغزش ناویر (سطح آبگریز)، شبیه سازی ها در جریان آشفته کانال ساده انجام گرفته و با نتایج سایر محققین مقایسه شده است. درنهایت با درنظر گرفتن مجدد جریان دو بعدی کانال نیم موج در عدد رینولدز 104 ، شبیه سازی این جریان در مجاورت سطوح آبگریز با طول لغزش های مختلف انجام شده است. نتایج حاکی از توانایی قابل توجه این روش در کاهش نیروی پسا است به نحوی که به ازای طول لغزش 200 میکرومتر کاهش نیروی پسای قابل توجه 38 درصد به دست آمده است. به علاوه بررسی اثر طول لغزش روی کاهش نیروی پسا نشانگر آن است که با افزایش این پارامتر، نیروی پسای اصطکاکی و فشاری کاهش بیشتری می یابد. همچنین برای دست یابی به کاهش نیروی پسای قابل توجه در جریان آشفته، نیاز است تا مقدار طول لغزش بی بعد از مقدار حداقلی بزرگ تر باشد.
    کلیدواژگان: سطح آبدوست، سطح آبگريز، کانال نيم موج، مدل هاي آشفتگي
  • میرمحمد اتفاق *، هادی میراب، رضا فتحی صفحات 21-34
    یکی از روش های جدید برای تامین انرژی سیستم های الکتریکی کم مصرف مورد استفاده در دریا، استفاده از انرژی مکانیکی امواج است. در این روش با استفاده از مبدل پیزوالکتریک، انرژی ناشی از امواج دریا به الکتریسیته تبدیل می شود. مزیت این روش عدم نیاز به تعویض یا شارژ باتری سیستم مورد نظر است. در تحقیقات پیشین، مطالعاتی در زمینه برداشت انرژی از امواج دریا انجام شده ولی تحقیقی کامل در زمینه برداشت انرژی با درنظر گرفتن مدل موج تصادفی جانسواپ انجام نشده است. مدل موج تصادفی جانسواپ تقریب بهتری برای شبیه سازی امواج دریا نسبت به مدل موج منظم ایری است. به همین منظور در این مقاله یک تیر قائم متصل به کف دریا که مجهز به وصله های پیزوالکتریک است، به عنوان برداشت کننده انرژی درنظر گرفته شده و بعد از مدل سازی با استفاده از نرم افزار متلب شبیه سازی می شود. در ادامه با درنظر گرفتن مدل موج نامنظم جانسواپ پاسخ ارتعاشی تیر و به تبع آن توان تولیدی محاسبه شده و قابلیت اطمینان سیستم و تاثیر مقدار نامعینی های وصله های پیزوالکتریک روی توان تولیدی به صورت آماری بررسی می شود. درنهایت احتمال خرابی برداشت کننده انرژی بر پایه تعریف مناسبی از معیار تخطی مطالعه شده است.
    کلیدواژگان: برداشت انرژی، پیزوالکتریک، مدل موج تصادفی جانسواپ، قابلیت اطمینان
  • فرزاد بازدیدی طهرانی*، سید ایمان واصفی، امیرمسعود انواری صفحات 35-74
    در این پژوهش، جریان جابه جایی آشفته نانوسیال آب و اکسید مس در یک کانال قائم به صورت عددی مورد بررسی و تحلیل قرار می گیرد. جهت مدل سازی جریان فاز سیال به صورت پیوسته درنظر گرفته می شود، در حالی که نانوذرات به صورت فاز گسسته در سیال پایه پخش شده اند. نحوه پخش نانوذرات اکسید مس در سیال پایه در شرایط جریانی مختلف مطالعه می شود تا مکانیزم های موثر بر توزیع نانوذرات در مقطع کانال مشخص شود. نتایج مبین این نکته است که در شرایط جریان جابه جایی آشفته و در ناحیه کاملا توسعه یافته اثر پدیده ترموفورسیس بر حرکت براونی نانوذرات غلبه کرده و از این رو تجمع ذرات در نواحی مرکزی کانال بیشتر است. اما در ناحیه ورودی که لایه مرزی به طور کامل شکل نگرفته است، توزیع نانوذرات یکنواخت تر است. همچنین افزایش کسر حجمی نانوذرات به افزایش نوسانات سرعت آشفتگی در نواحی نزدیک به دیواره کمک کرده و این اثر متقابل موجب بهبود بیشتر انتقال حرارت در جریان آشفته نسبت به جریان آرام می شود.
    کلیدواژگان: نانوسیال، جابه جایی آشفته، پخش ذرات
  • مرتضی سالاری، علی اخترپور * صفحات 49-62
    وابستگی سختی به سطح تنش، رفتار سخت شوندگی و اتساعی، همچنین خردشدگی، چرخش و بازتوزیع اندازه ذرات مهم ترین ویژگی ها و پدیده های تغییر شکلی مصالح سنگریزه ای هستند. ورمر و دبورست مدلی الاستوپلاستیک برای شبیه سازی رفتار برشی خاک، بتن و سنگ پیشنهاد داده اند. این مقاله درصدد آن است که مدل مذکور را به شیوه ای ارتقاء دهد تا قابلیت شبیه سازی رفتار برشی مصالح سنگریزه ای را داشته باشد. ارتقاء مدل به واسطه پیشنهاد توابع زاویه اتساع و اصطکاک بسیج شده جدید و نیز روابط جدیدی برای بعضی پارامترهای مدل صورت گرفته است. برای اعتبارسنجی، آزمایش های سه محوری بزرگ مقیاس انجام شده روی مصالح سنگریزه ای پوسته سد مسجد سلیمان با مدل ارتقاء یافته شبیه سازی شده است. نتایج مطالعه نشان می دهد مدل ورمر- دبورست ارتقاء یافته دقت بسیار مناسبی در شبیه سازی عددی رفتار برشی مصالح سنگریزه ای دارد.
    کلیدواژگان: مصالح سنگریزه ای، مدل رفتاری، خردشدگی ذره ای، رفتار اتساعی، رفتار سخت شوندگی
  • مسعود ربانی*، محمدحسین افرازه، ساسان امینی، حامد فرخی اصل صفحات 63-78
    موضوع نگهداری و تعمیرات و یکپارچه کردن آن با مسئله زمان بندی تولید، با توجه به نقش تاثیرگذار آن در قیمت تمام شده محصول نهایی، از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این پژوهش حالات مختلف برای هر خط تولید به صورت مستقل و مجزا، در زمان های کاری عادی و اضافه کاری و با درنظر گرفتن امکان برون سپاری، مورد مطالعه قرار گرفته است. هدف این پژوهش پیدا کردن استراتژی بهینه نگهداری و تعمیرات و یکپارچه سازی آن با برنامه ریزی تولید در یک سیستم تولید دسته ای است، به نحوی که بدون سفارش عقب افتاده، پاسخگوی تقاضا باشد و جمع هزینه های تولید و نگهداری و تعمیرات را در یک افق برنامه ریزی محدود حداقل کند. بدین منظور یک مدل ریاضی برای این مسئله مورد بررسی پیشنهاد شده است. برای حل مدل ریاضی، از دو روش فرا ابتکاری شبیه سازی تبرید و جستجوی هارمونی استفاده شده است و پاسخ ها مورد مقایسه قرار گرفته اند. دو الگوریتم از نظر کیفیت جواب ها عملکرد قابل قبول و نزدیکی را فراهم آورده اند.
    کلیدواژگان: نگهداری و تعمیرات پیشگیرانه، زمان بندی تولید، سیستم های تولید مستعد شکست، استراتژی های یکپارچه سازی
  • مهدی محمدی مهر *، سجاد علی میرزایی صفحات 79-98
    در این پژوهش، تحلیل کمانش غیرخطی نانوتیرکامپوزیتی مدرج تابعی تقویت شده با توزیع های مختلف نانو لوله نیترید-بور براساس تئوری الاستیسیته غیرمحلی به روش اجزاء محدود بررسی می شود. نانوتیرکامپوزیتی تحت بارگذاری های الکتروترمومکانیکی و نقص هندسی اولیه درنظر گرفته می شود. نانولوله های نیترید- بور در راستای ضخامت تیر به صورت یکنواخت و مدرج تابعی با چیدمان کاهشی- افزایشی توزیع شده اند و از مدل مخلوط توسعه یافته، برای تخمین خواص نانوتیر کامپوزیتی استفاده شده است. محیط الاستیک اطراف نانوتیر کامپوزیتی هوشمند به صورت بستر الاستیک مدل سازی شده است. معادلات حاکم با استفاده از روش انرژی و تئوری غیرموضعی الاستیسیته استخراج شده و بار کمانش بحرانی برای نانوتیر کامپوزیتی با شرایط مرزی مختلف شامل دو طرف تکیه گاه ساده یا دو طرف تکیه گاه گیردار به روش اجزاء محدود به دست می آیند. نتایج نشان می دهد با افزایش پارامتر نقص هندسی، سفتی نانوتیر کامپوزیتی افزایش یافته، درنتیجه پایداری سازه افزایش می یابد. استحکام چیدمان کاهشی- افزایشی، بیشتر از توزیع یکنواخت است. همچنین با اعمال پارامترهای میدان الکتریکی و بستر الاستیک بار کمانش بحرانی نانوتیر کامپوزیتی افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: تحلیل غیرخطی کمانش، نقص هندسی اولیه، توزیع های مختلف نانولوله نیترید- بور، بستر الاستیک، تئوری غیرمحلی الاستیسیته، روش اجزاء محدود
  • بهزاد صادقیان *، مسعود عطاپور، ابوذر طاهری زاده صفحات 101-117
    جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی از روش های بسیار کاربردی در اتصال فلزات غیرمشابه است. در این پژوهش به شبیه سازی توزیع حرارت در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی اتصال غیرمشابه فولاد زنگ نزن 304 به آلیاژ آلومینیوم 5083 با استفاده از روش المان محدود پرداخته شده است. حل حرارتی برای این مسئله از دو روش حل حالت پایدار و نیز حل حالت گذرا استفاده شده و دو روش با یکدیگر مقایسه شده اند. قابل ذکر است که، به منظور اعتبارسنجی مدل، ورق های فولاد زنگ نزن و آلومینیوم آماده سازی شده و جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی صورت گرفته است. به علاوه با به کار بردن ترموکوپل بر قطعات، تاریخچه دمایی نقاط حین جوشکاری برای دو فلز به دست آمد. پس از آن، نتایج حاصل از شبیه سازی حرارتی با نتایج آزمایشگاهی حاصل از جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی این اتصال مقایسه و اعتبارسنجی شد. در پایان با ساخت یک مدل شبکه عصبی، تاثیر پارامترهای ورودی فرایند جوشکاری بر حداکثر دمای زیر ابزار بررسی شد.
    کلیدواژگان: جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، روش المان محدود، اتصال غیرمشابه، حل حالت گذرا، حل حالت پایدار، شبکه عصبی مصنوعی
  • حسن زهلی، بهمن نادری*، محمد محمدی صفحات 119-138
    در این مقاله مسئله تعیین اندازه انباشته و زمان بندی چند محصول در محیط جریان کارگاهی انعطاف پذیر با ماشین های موازی یکسان بررسی می شود. مراحل تولید به صورت سری بوده و بافر محدود بین مراحل متوالی درنظر گرفته شده است. تابع هدف مسئله، کمینه سازی مجموع هزینه های راه اندازی و نگهداری در واحد زمان است. مدل ریاضی موجود در ادبیات مسئله دارای پیچیدگی اندازه و پیچیدگی محاسباتی زیادی است. در این مقاله، یک مدل ریاضی خطی مختلط عدد صحیح جدید برای مسئله ارائه می شود. همچنین یک الگوریتم فرا ابتکاری کارآمد برای حل ابعاد بزرگ مسئله پیشنهاد می شود. نتایج حاصل از انجام آزمایشات عددی، بیانگر برتری قابل توجه مدل و الگوریتم پیشنهادی این مقاله در مقایسه با مدل و الگوریتم های موجود در ادبیات مسئله است.
    کلیدواژگان: تعیین اندازه انباشته، زمان بندی، جریان کارگاهی مختلط، مدل ریاضی، الگوریتم فرا ابتکاری
  • علی رحمانی فیروزجایی *، مصطفی صاحبدل صفحات 139-154
    در این پژوهش، روش عددی بدون شبکه گالرکین برای شبیه سازی معادلات انتقال رسوب بستر در حالت دو بعدی به کار گرفته شد. این روش که یکی از روش های بدون شبکه است، با استفاده از توزیع دلخواه گره ها در دامنه محاسباتی به گسسته سازی مکانی مسئله می پردازد و در این روش، نیازی به شبکه، المان و یا هرگونه اطلاعات ارتباط بین گره ای نیست. بخش هیدرودینامیک معادلات انتقال رسوب توسط معادلات دو بعدی آب های کم عمق مدل شده و معادله اکسنر پیوستگی رسوب را توصیف می کند. در انتها به حل مثال های مرجع جهت بررسی صحت کارایی روش مورد استفاده پرداخته شد و نتایج حاصل با تحقیقات سابق انجام شده مقایسه شد.
    کلیدواژگان: روش های عددی، روش بدون شبکه گالرکین، معادلات آب های کم عمق، روابط تجربی معادلات رسوب
|
  • M. R. Rastan *, A. Sohankar Pages 1-20
    In the first part of the present study, a two dimensional half-corrugated channel flow is simulated at Reynolds number of 104, in no-slip condition (hydrophilic surfaces( using various low Reynolds turbulence models as well as standard k-ε model; and an appropriate turbulence model (k-ω 1998 model( is proposed. Then, in order to evaluate the proposed solution method in simulation of flow adjacent to hydrophobic surfaces, turbulent flow is simulated in simple channel and the results are compared with the literature. Finally, two dimensional half-corrugated channel flow at Reynolds number of 104 is simulated again in vicinity of hydrophobic surfaces for varoius slip lengths. The results show that this method is capable of drag reduction in such a way that an increase of 200 μm in slip length leads to a massive drag reduction up to 38%. In addition, to access a significant drag reduction in turbulent flows, the non-dimensionalized slip length should be larger than the minimum.
    Keywords: Hydrophilic surface, Hydrophobic surface, Half-corrugated channel, Turbulence modeling
  • M. Ettefagh*, H. Mirab, R. Fathi Pages 21-34
    One of the new methods for powering low-power electronic devices employed in the sea, is using of mechanical energies of sea waves. In this method, piezoelectric material is employed to convert the mechanical energy of sea waves into electrical energy. The advantage of this method is based on not implementing the battery charging system. Although, many studies have been done about energy harvesting from sea waves, energy harvesting with considering random JONWSAP wave theory is not fully studied up to now. The random JONSWAP wave model is a more realistic approximation of sea waves in comparison of Airy wave model. Therefore, in this paper a vertical beam with the piezoelectric patches, which is fixed to the seabed, is considered as energy harvester system. The energy harvesting system is simulated by MATLAB software, and then the vibration response of the beam and consequently the generated power is obtained considering the JONWSAP wave theory. In addition, the reliability of the system and the effect of piezoelectric patches uncertainties on the generated power are studied by statistical method. Furthermore, the failure possibility of harvester based on violation criteria is investigated.
    Keywords: Energy harvesting, Piezoelectric, Random JONSWAP wave theory, Reliability
  • F. Bazdidi Tehrani *, S. I. Vasefi, A. M. Anvari Pages 35-74
    In the present paper, turbulent convection of CuO-Water Nanofluid in a vertical channel is investigated numerically. In order to simulate the flow, the fluid is considered as a continuous phase while the discrete nanoparticles are dispersed through it. The dispersion of CuO nanoparticles in different flow conditions are studied in order to find the effective mechanisms of particles dispersion in the channel. The results show that in the fully developed turbulent convection flow, thermophoresis is more dominant than Brownian motion of nanoparticles and therefore the nanoparticles aggregation are more in the central areas of the channel. While in entrance region, where the boundary layer is not fully formed, the particles dispersion are more uniform. Also, an increase in the nanoparticles concentration will increase the turbulent velocity fluctuations in regions near the wall and this two-sided effect will cause improvement in turbulent flow thermal transmitance than the laminar flow.
    Keywords: Nanofluid, Turbulent convection, Dispersion of particles
  • M. Salari, A. Akhtarpour * Pages 49-62
    The most important features and phenomena of the deformation behavior of rockfills are stress-dependent stiffness, hardening and dilative (or contractive) behaviors, as well as breakage, rotation and redistribution of particle size. An elasto-plastic constitutive model has been suggested by Vermeer and de Borst to simulate the shear behavior of soils, concretes and rocks. This research has tried to improve this model for numerical simulation of the shear behavior of rock fills. The improvement of the model has been performed through proposing new mobilized dilation and friction angles functions and new relationships for some parameters. For validation, a series of large-scale triaxial tests performed on the rockfill shell of Masjed-e-Soleyman dam have been simulated with the improved model. The results show that the improved Vermeer-De Borst model has a good accuracy to simulate the shear behavior of rockfills numerically.
    Keywords: Rockfill material, Constitutive model, Particle breakage, Dilative behavior, Hardening behavior
  • M. Rabbani *, M. H. Afrazeh, S. Amini, H. Farrokhi-Asl Pages 63-78
    Integrating the concepts of maintenance and production planning strategies is one of the most recent and important issues for the reason of their effects on the final product price. This paper considers different situations for production lines, separately and independently, in ordinary time and overtime, assuming possibility of outsourcing. This paper aims to find an optimal maintenance strategy and to integrate maintenance strategy with production planning in batch production environment in order to reduce backorder sales and decrease the production and maintenance cost in the specified planning horizon. Therefore, a new mathematical formulation is proposed for this problem. The proposed mathematical model is solved with two metaheuristic algorithms, namely simulated annealing and harmony search algorithms, and the obtained results are compared with each other. Regarding numerical results, two applied algorithms show acceptable results and the performance of the algorithms are almost identical.
    Keywords: Preventive maintenance, production planning, failure-prone manufacturing systems, integrated strategies
  • M. Mohammadimehr *, S. Alimirzaei Pages 79-98
    In this research, the nonlinear buckling analysis of Functionally Graded (FG) nano-composite beam reinforced by various distributions of Boron Nitrid Nanotube (BNNT) is investigated under electro-thermodynamical loading with considering initial geometrical imperfection. The analysis is performed based on nonlocal elasticity theory and using the Finite Element Method (FEM). Various distributions of BNNT along the beam’s thickness are considered as uniform and decreasing-increasing functionally graded; and the extended mixture model is used to estimate the properties of nano-composite beam. The elastic medium around the smart nano-composite beam is modeled as elastic foundation. The governing equations of equilibrium are derived using energy method and nonlocal elasticity theory; and the critical buckling load is obtained for various boundary conditions such as simply-simply supported (S-S) and clamped-clamped (C-C) using the FEM. The results indicate that with an increase in the geometrical imperfection parameter, the stiffness of nano-composite beam increases and consequently the stability of the system increases. The effect of FG-X distribution type is more than uniform distributions. Also, the critical buckling load of nano-composite beam increases with an increase in the electric field and elastic foundation.
    Keywords: Nonlinear buckling analysis, Initial geometrical imperfection, Various distributions of BNNTs, Elastic foundation, Nonlocal elasticity theory, Finite element method
  • B. Sadeghian *, M. Ataapour, A. Taherizadeh Pages 101-117
    Friction stir welding is of the most applicable methods to join dissimilar metals. In this study, the thermal distribution during the joining of 304 stainless steel and 5083 aluminum alloy by friction stir welding method was simulated by the finite element method. Both, transient and stationary thermal solutions were used in the simulations and the two methods were compared correspondingly. To verify the model, two sheets of stainless steel and aluminum were prepared and the friction stir welding was applied. Additionally, by using thermocouples temperature, the history of points on the sheets was obtained during welding. Then, the simulation and the experimental results were compared to validate the model. Finally, an artificial neural network model was created and the effect of different input parameters on the maximum temperature under the tool was investigated.
    Keywords: Friction stir welding, Finite element method, Dissimilar joint, Transient solution, Stationary solution, Artificial neural network
  • H. Zohali, B. Naderi *, M. Mohammadi Pages 119-138
    This paper addresses the lot sizing and scheduling problem for a number of products in flexible flow shop with identical parallel machines. The production stages are in series, while separated by finite intermediate buffers. The objective is to minimize the sum of setup and inventory holding costs per unit of time. The available mathematical model of this problem in the literature suffers from huge complexity in terms of size and computation. In this paper, a new mixed integer linear program is developed for delay with the huge dimentions of the problem. Also, a new meta heuristic algorithm is developed for the problem. The results of the numerical experiments represent a significant advantage of the proposed model and algorithm compared with the available models and algorithms in the literature.
    Keywords: lot sizing, scheduling, hybrid flow shop, mathematical model, meta heuristic
  • A. Rahmani Firoozjaee*, M. Sahebdel Pages 139-154
    In this research, the element free Galerkin is implemented to simulate the bed-load sediment transport equations in two dimensions. In this method, which is a meshless method, the computational domain is discretized by a set of arbitrarily scattered nodes and there is no need to use meshes, elements or any other connectivity information in nodes. The hydrodynamical part of sediment transport equations is modeled using 2D shallow water equations; and the Exner equation describes the sediment continuity. Eventually, to appraise the ability of considered method, several benchmark examples are solved and then, the obtained results are compared with previously published works
    Keywords: Numerical methods, Element free Galerkin, Shallow water equations, Empirical relations of sediment transport