فهرست مطالب

فصلنامه مکانیک هوافضا
سال شانزدهم شماره 4 (پیاپی 62، زمستان 1399)

  • تاریخ انتشار: 1399/10/04
  • تعداد عناوین: 8
|
  • نوشین بیگدلی*، مهسا صنعتی زاده صفحات 1-12
    سیستم شناور مغناطیسی در سال های اخیر به طور گسترده در صنایع مختلف مورد توجه قرار گرفته است. این سیستم به صورت حلقه باز به شدت غیرخطی و ناپایدار است؛ از این رو مدل سازی و طراحی کنترل کننده برای چنین سیستمی مسئله ای چالشی محسوب می شود. در این مقاله با استفاده از مدل خطی شناور مغناطیسی کنترل کننده ی پیش بین تابعی مرتبه کسری برای آن طراحی شده است. ابتدا سیستم ناپایدار به دو سیستم پایدار تجزیه می شود، سپس با استفاده از سیستم های بدست آمده کنترل کننده‫ی پیش بین تابعی با تابع هزینه‫ی مرتبه کسری طراحی می شود. از آنجا که استفاده از حسابان مرتبه‫ کسری باعث افزایش درجه ی آزادی در سیستم کنترلی می شود، طراحی این کنترل کننده سبب بهبود عملکرد سیستم حلقه بسته می گردد. همپنین بررسی پایداری مقاوم سیستم حلقه بسته با در نظر گرفتن به نامعینی و خطای مدلسازی با استفاده از قضیه ی بهره کوچک صورت می گیرد. نتایج شبیه سازی، عملکرد مناسب کنترل کننده در شرایط نامی و وجود نامعینی را نشان می دهد. با توجه به نتایج، با استفاده از کنترل کننده پیشنهادی، بالازدگی حذف شده و معیارهایی مانند زمان صعود و زمان نشست بیش از 50%  نسبت به کنترل‫کننده‫های یک درجه و دو درجه آزادی تناسبی-مشتقی-انتگرالی مرتبه صحیح و مرتبه کسری مطرح شده در مراجع، بهبود یافته است.
    کلیدواژگان: سیستم شناور مغناطیسی، سیستم ناپایدار، کنترل کننده ی پیش بین تابعی، کنترل کننده ی مرتبه کسری
  • دانیال صائبی، امیرسجاد خدامی، بیژن محمدی* صفحات 13-24

    در تحقیق حاضر، فرسایش ذرات جامد آلیاژهای Al 7075-T6 و Ti-6Al-4V به عنوان دو آلیاژ متداول مورد استفاده در سازه هواپیما تحت برخورد ذرات چندگانه، با استفاده از مدلسازی المان محدود بررسی می گردد. رفتار فرسایشی این دو آلیاژ بر اساس معادلات ساختاری جانسون کوک و به صورت یک مدل ضربه در مقیاس مایکرو، با استفاده از تکنیک المان حجم نمونه شبیه سازی شده است. رفتار فرسایشی مواد معمولا به صورت نسبت ماده فرسایش یافته از سطح آلیاژ به جرم ذرات فرساینده تعریف شده که از آن به عنوان نرخ فرسایش تعبیر می گردد. در این تحقیق، در ابتدا نتایج حاصل از مدل المان محدود با نتایج مدل های تحلیلی رایج در فرسایش صحت سنجی می گردد. سپس دو عامل اصلی موثر بر رفتار فرسایشی آلیاژها، یعنی سرعت ذرات برخوردکننده و زاویه برخورد ذرات مورد بررسی قرار خواهد گرفت. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهد که بین سرعت ذرات و نرخ فرسایش یک رابطه توانی برقرار است. مطابق نتایج، حداکثر نرخ فرسایش آلیاژ Ti-6Al-4V برای زاویه برخوردی 40 درجه و بیشینه نرخ فرسایش آلیاژ Al 7075-T6 در زاویه برخوردی 30 درجه به ثبت رسیده است. نتایج نشان می دهد که آلیاژ Ti-6Al-4V در مقابل فرسایش مقاوم تر از آلیاژ Al-7075 می باشد.

    کلیدواژگان: فرسایش ذرات جامد، برخورد ذرات چندگانه، مدل جانسون کوک، مدل المان محدود
  • عماد فحص*، مجید قاسمی صفحات 25-37
    تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی الکتریسیته به واسطه دستگاه الکترو-شیمیایی پیل سوختی انجام می گیرد. به وسیله دمای عملیاتی بالای پیل سوختی اکسید جامد (بین 700 و 1000)، تنش گرمایی به وجود آمده که عامل اصلی شروع و انتشار ترک است. این پدیده ممکن است باعث نشت گاز، ناپایداری ساختار و توقف عملیات SOFC قبل از عمر مفید آن باشد. هدف این پژوهش ارایه روشی برای پیش بینی شروع ترک ها در یک SOFC صفحه ای متخلخل ناهمسانگرد است. دما و توزیع تنش محاسبه می شود. در این روش از ضریب شدت تنش و انتگرال-جی مواد برای پیش بینی شروع ترک در داخل آند و کاتد متخلخل استفاده شده است. نتایج تحقیق نشان داد که بالاترین تنش گرمایی در گوشه های بالای کاتد و در گوشه های پایین آند رخ می دهد. به علاوه، ضخامت الکترود کاتد در سمت چپ، به میزان %5/1 افزایش می یابد. درنهایت، شروع ترک در سمت چپ بین گوشه های بالایی و پایینی کاتد رخ می دهد.
    کلیدواژگان: پیل سوختی اکسید جامد، دینامیک سیالات محاسباتی، المان های محدود، تنش گرمایی، ضریب شدت تنش، شروع ترک
  • سید امیر موسوی زاده، مجتبی حسینی، حسین حاتمی*، مرتضی کمالوند صفحات 39-59
    دراین تحقیق، بررسی آزمایشگاهی و عددی بر روی ورق های فولادی تخت و انحنادار در دو حالت ساده و همراه با تقویت کننده ها با مقطع عرضی مختلف جهت ارزیابی های بیشتر، تحت اثر ضربه ناشی از سقوط آزاد وزنه صورت گرفته است. در این پژوهش از دو شعاع انحنای بی نهایت (ورق تخت) و 110 میلیمتر تحت ضربه ناشی از سقوط آزاد وزنه استفاده شده است. ورق فولادی انتخاب شده از جنس فولاد 12St و با ابعاد 200*220 میلیمتر و با ضخامت 1 میلی متر می باشد. جنس و ضخامت تقویت کننده های مورد استفاده نیز همانند ورق اصلی می باشد. پارامترهای مورد ارزیابی این پژوهش شامل مقدار شتاب ضربه، میزان تغییرشکل ماندگار و مقدار جذب انرژی ورق می باشد. برای مدل سازی عددی از نرم افزار المان محدود آباکوس استفاده شده است. مقاطعی که به عنوان تقویت کننده در بررسی های پارامتری عددی در نظر گرفته شده است شامل نواری، نیم استوانه ای، استوانه ای، سینوسی، مثلثی می باشد. نتایج نشان می دهد که انحناء باعث کاهش شتاب ضربه، افزایش تغییرشکل ماندگار و جذب انرژی می شود. ایجاد تقویت کننده ها مقدار طول لهیدگی را کاهش داده اما تقویت کننده های نواری باعث کاهش جذب انرژی این ورق ها نسبت به ورق های ساده شده است. با توجه به انواع تقویت کننده ها، المان استوانه ای از عملکرد بهتری برخودار می باشد، زیرا نسبت به تقویت کننده های متعامد دارای شتاب ضربه کمتر و همچنن از جذب انرژی بیشتری برخوردار می باشد، البته مقدار تغییرشکل در این ورق ها افزایش یافته است.
    کلیدواژگان: تغییرشکل ماندگار، ضربه، ورق های فولادی مسطح و انحنادار، تقویت کننده
  • سید مهدی ابطحی*، سید امیرحسین میررحیمی صفحات 61-70
    در این مقاله کنترل همزمان سامانه تعلیق فعال و ترمز ضد قفل خودرو با استفاده از الگوریتم کنترل مود لغزشی بهبود یافته با روش PID مورد بررسی قرار گرفته است. مدل دینامیکی سامانه شامل سامانه تعلیق فعال و ترمز بر اساس معادلات نیوتن-اولر و همچنین تایر بر مبنای مدل پاژیکا می باشد. با همزمانی سامانه های کنترلی تعلیق و ترمز، در کنار افزایش ایمنی خودرو، از تاثیرات مثبت سامانه تعلیق فعال روی سامانه ترمز بهره برده شود. با کمک الگوریتم نوین کنترلی مقاوم، با افزایش نیروی عمودی بر روی تایر توسط عملگر هیدرولیکی سامانه تعلیق فعال، نیروی اصطکاک بین تایر و جاده بیشتر شده که در پی آن مسافت توقف کمتر و باعث ارتقا عملکرد سامانه ترمزگیری می شود. در عین حال سامانه کنترلی یکپارچه عملکرد مناسب سامانه تعلیق را نیز حفظ می کند. در الگوریتم کنترلی توسعه یافته ی مود لغزشی، با طراحی سطح لغزش براساس روش PID، بطور نوآورانه به کاهش پدیده چترینگ در سیگنال های ورودی منجر می شود. نتایج حاصل از شبیه سازی سامانه کنترلی نوین SMC-PID مبین کاهش مسافت توقف، حفظ خوش سواری خودرو و در عین کاهش مصرف انرژی می باشد.
    کلیدواژگان: کنترل مود لغزشی، سامانه تعلیق فعال، ترمز ضد قفل، مسافت توقف
  • محمد شیشه ساز، سعید یعقوبی*، کیامهر روزبخش زاده صفحات 71-83
    در پژوهش حاضر، اتصالات چسبی تک لبه به منظور کاهش میزان تورق مورد مطالعه قرار گرفته اند. توزیع تنش های عمودی و برشی به وجود آمده در این اتصال، با استفاده از معادلات الاستیسیته دو بعدی، روابط تنش-کرنش و کرنش-جابه جایی به دست آمده است. کمینه سازی تنش تورق، با استفاده از الگوریتم زنبورعسل انجام شده و متغیرهای فرآیند شامل ضخامت لایه های چسب شونده و لایه چسب می باشند. اتصال کامپوزیتی تحت بار کششی بوده و لایه های چسب شونده و چسبی به صورت همسان گرد و در ناحیه الاستیک خطی در نظر گرفته شدند. نتایج تحقیق بیان کننده آن بود که با نسبت بهینه ضخامتی 54/2، می توان تنش تورق را تا حدود 36% کاهش داد. با افزایش نسبت مدول یانگ و در نتیجه نامتقارن تر شدن اتصال چسبی، بیشینه مقدار تنش تورق کاهش می یابد. همچنین، افزایش مدول یانگ چسب شونده زیرین، منجر به بر هم خوردن توزیع تنش در سطح تماس چسب شونده نرم تر (لایه بالایی) با چسب شده و این در حالی است که توزیع تنش در سطح دیگر چسب، تقریبا بدون تغییر باقی می ماند.
    کلیدواژگان: اتصال چسبی، تنش تورق، لایه چسب شونده، لایه چسبی، بهینه سازی
  • توحید میرزا بابای مستوفی، مصطفی سیاح بادخور، هاشم بابایی* صفحات 85-99
    در این مقاله، از یک روش تحلیل بی بعد جهت ارایه دو رابطه تجربی بر اساس اعداد بی بعد به منظور پیش بینی نسبت بیشترین خیز دایمی ورق های تک لایه چهارگوش به ضخامت آن تحت بارگذاری دینامیکی با توزیع یکنواخت و محلی استفاده شده است. در اعداد بی بعد پیشنهادی، اثر هندسه ورق، شدت بار اعمالی، خواص مکانیکی ورق، حساسیت ماده به نرخ کرنش و شعاع بارگذاری در نظر گرفته شده است. جهت صحت سنجی مدل های تجربی از هشت سری آزمایش و 267 داده موجود در ادبیات تحقیق در طول چهل سال گذشته استفاده شده است. نتایج حاصل از مدل سازی نشان داد که تطابق خوبی بین نتایج پیش بینی مدل و مقادیر تجربی وجود دارد به طوری که درمجموع 117 داده تجربی برای بارگذاری یکنواخت، به ترتیب 94% (110 داده) و 98% (115 داده) از کل نقاط تجربی در محدوده خطای کمتر از 10% و 20% قرار دارند. همچنین، درمجموع 150 داده تجربی موجود برای بارگذاری محلی، به ترتیب 83% (124 داده) و 97% (146 داده) از کل نقاط تجربی در این دو محدوده قرار گرفتند. نتایج همچنین نشان داد که متغیر در نظر گرفتن کمیت های ماده با ضخامت در معادله کوپر-سیموندز موجب بهبود دقت پیش بینی مدل های تجربی می گردد به طوری که تنها 6% و 12% از داده های برای دو بارگذاری یکنواخت و محلی در محدوده 10% خطا قرار نمی گیرند.
    کلیدواژگان: بارگذاری یکنواخت، بارگذاری محلی، تحلیل بی بعد، مدل تجربی، ورق چهارگوش
  • احمدرضا خوگر*، امیر مواساتی صفحات 101-106

    در این مقاله، کنترل نیروهای مجری نهایی یک بازوی رباتیک با استفاده از سامانه فرماندهی که به صورت مطلوب شش درجه آزادی دارد، انجام شده است. سامانه فرماندهی می تواند از یک جوی استیک که بر روی یک سازوکار موازی پیاده شده است، استفاده کند. در این مقاله ربات پیرو، رباتی است که مجری نهایی آن به کمک سامانه فرماندهی کنترل شده و قادر است مسیر مرجع را با نیروی مشخص شده طی کند. بدین منظور چندین مسیر مختلف و بر روی سطوح متفاوت در نظر گرفته شده است و مجری نهایی ربات در هریک از موارد، مسیر طراحی شده را با وارد ساختن نیروی ثابتی طی کرده است. همچنین امکان شناسایی و عبور از موانع در این سامانه لحاظ شده است. سامانه کنترلی به گونه ای طراحی شده که مجری نهایی ربات ضمن نزدیک شدن به مانع، با آن برخورد نمی کند. از این رو ربات با کارایی بهتری می تواند به عنوان ربات جراح، ربات حمل مواد حساس و یا در کاربردهای دیگر مورد استفاده قرار گیرد و پس از برخورد با سطح، می تواند بازخورد نیرویی متناسب با نیروی برخورد را ایجاد و به دست اپراتور منتقل کند.

    کلیدواژگان: کنترل نیرو، مجری نهایی، جوی استیک
|
  • Nooshin Bigdeli *, Mahsa Sanatizadeh Pages 1-12
    Magnetic levitation systems (Maglev) are widely used in various industries. The open loop Maglev system is highly nonlinear and unstable. Therefore, designing a simple, but effective controller for such a system is a challenging issue. In this paper, a fractional order predictive functional controller (FPFC) is proposed for the control of the magnetic levitation system based on its linearized unstable model. At first, the unstable plant is decomposed into two stable models. Then, using these two stable models and employing fractional order cost function, the PFC controller is designed. Because of more degrees of freedom and its flexibility of fractional order calculus, the proposed fractional PFC would improve the performance of closed loop systems, noticeably. Robust stability of closed-loop systems has also been studied considering the uncertainties and model mismatches via the small gain theorem. Simulation results show good performance of the proposed controller in nominal and perturbed conditions. Based on provided simulations, via the proposed controller, overshoot has been omitted and performance indices have been improved more than 50% with respect to the first and second orderof freedom integer/fractional order PID controllers, designed for this system, in the literature.
    Keywords: Magnetic levitation system, unstable system, Predictive functional controller, Fractional order controller
  • Daniyal Saebi, Amirsajjad Khoddami, Bijan Mohammadi * Pages 13-24

    In this study, the solid particle erosion of Al 7075-T6 and Ti-6Al-4V alloys, as two typical alloys in an aircraft structure, under multiple particle impact is investigated using finite element modeling. The erosive behavior of these alloys has been simulated as a micro scale impact model based on Johnson-Cook constitutive equations using the representative volume element technique. Erosive behavior is usually described by the ratio of the eroded material of the alloy surface to the mass of the eroding particles which is called the erosion rate. In this study, the results of the finite element model are validated by comparison with the results of typical erosion models. Then, the two most effective factors on erosive behavior, impacting particles’ velocity and particles’ impact angle, are to be investigated. Results show that there is an exponential relation between the particles’ velocity and the erosion rate. According to the results, maximum erosion rates of Ti-6Al-4V and Al 7075-T6 have been recorded at the impact angles of 40 and 30 degrees, respectively. It is shown that Ti-6Al-4V is more erosion-resistant than Al 7075-T6.

    Keywords: Solid particles erosion, Multiple particles impact, Johnson-Cook model, Finite element model
  • Imad Fahs *, Majid Ghasemi Pages 25-37
    A fuel cell is an electro-chemical tool capable of converting chemical energy into electrical energy. The high operating temperature of the solid oxide fuel cell (SOFC), (between 700oC to 1000oC), causes thermal stress which is the origin of crack initiation and propagation. Thermal stress causes gas escape, structure variability and SOFC operation cessation before its lifetime. The purpose of the current paper is to present a method that predicts the thermal stress distribution and forecasts the beginning of fissure or crack occurrences in an anisotropic porous electrode of the planar SOFC. The governing coupled non-linear differential equations of heat transfer, fluid flow, mass transfer, mass continuity, and momentum are solved numerically. A code based on computational fluid dynamics (CFD), computational structural mechanics and finite element method (FEM) is developed and utilized. The results show that the highest thermal stress occurs at the lower corners of anode and the upper corners of cathode. The cathode’s thickness at the left side increases by 1.5% and the concentrated temperature and thus the fissure occurs between the top and bottom left corners of the cathode.
    Keywords: solid oxide fuel cell, computational fluid dynamic, Finite Element, thermal stress, Stress Intensity Factor, crack initiation
  • Syed Amir Mousavizadeh, Mojtaba Hosseini, Hossein Hatami *, Morteza Kamalvand Pages 39-59
    In this research, laboratory investigations and numerical studies are performed on flat and curved steel sheets under the influence of impact caused by the free fall of weights, with and without reinforcers of different transections. In this study, a flat sheet (infinite curvature) and a curved sheet with the curvature radius of 110 mm and a specific level of impact energy (a free fall height) are used for st.12 steel sheets of 1 mm thickness with the dimensions of 220 * 200 mm. The material and thickness of the energy absorbers are similar as the original sheet, and rectangular, cylindrical, half cylindrical, sinusoidal and triangular transection shapes, are considered. In the experimental method, the pickup acceleration is measured by the accelerometer sensor and the post-blow-out plate deformation is measured. The evaluated parameters include the amount of impact acceleration, the rate of permanent deformation, and the amount of energy absorption by the sheet. The Abaqus finite element software is used for numerical modeling. The results show that the curvature reduces the acceleration of the impact and increases the steady deformation and the energy absorption. The reinforcers in general, reduce the amount of crush length, but tape reinforcers reduce also the energy absorption of these sheets compared to plain sheets. Regarding the variety of the reinforcers, the cylindrical element performs better, because it has less impact acceleration and more energy absorption than orthogonal reinforcers, however, there is an increase in the amount of deformation of these sheets.
    Keywords: Plastic deformation, Impact, Flat, Curved Steel Sheets, reinforcer
  • Seyyed Mahdi Abtahi *, Seyyed Amirhossein Mirrahimi Pages 61-70
    In this paper, an integrated controller including the anti-lock braking system along with an active suspension is designed for a quarter car model, on the basis of the improved sliding mode control algorithm. Dynamical model of the active suspension along with the anti-lock braking system are derived using the Newton-Euler equations. Also, in order to model the friction between the tire and the road surface, the Pacejka model is used. The application of the control algorithm for the ABS yields a higher safety rate for the vehicles. On the other hand, the active suspension system beside the anti-lock braking system can improve the car safety and passenger comfort. To increase the friction between tire and the road surface, the active suspension system increases the normal force over the tire. Consequently, the performance of the braking system is improved with decreasing the stopping distance. In order to design the hybrid control system, the sliding mode control (SMC) system and proportional-integral-derivative (PID) controller are merged. In the PID-SMC strategy, the sliding surface is defined based on the PID algorithm. This novel control algorithm can decrease the chattering phenomenon besides shortening the stopping distance that yields the reduction of energy consumption.
    Keywords: Sliding Mode Control, Active suspension system, Anti-lock Braking System, Stopping Distance
  • Mohammad Shishesaz, Saeed Yaghoubi *, Kiamehr Roozbakhshzadeh Pages 71-83
    In the present research work, the reduction of peel stress in the adhesively bonded single-lap joints has been studied. The distributions of normal and shear stresses generated in the adhesive joint were obtained using the two-dimensional elasticity theory, as well as the stress-strain and strain-displacement relationships. Minimization of the peel stress was performed using the bees algorithm, during which the process variables included the adhesive and adherends thicknesses.  The composite joint was loaded by a tensile force while the adherends and adhesive layers were considered to behave as isotropic materials with linear elastic properties. The results showed that based on an optimum thickness ratio of 2.54, the magnitude of the peel stress can be reduced by 36%. As Young's moduli ratio, and consequently, the asymmetric adhesion bonding increased, the maximum amount of peeling stress decreased. Also, the increase in Young's modulus of the bottom layer led to the disruption of stress distribution at the interface of the softer adherend (top layer) and the adhesive layer, while this effect was almost absent at the other interface.
    Keywords: Adhesive joint, Peeling stress, Adherend layer, Adhesive layer, Optimization
  • Tohid Mirzababaie Mostofi, Mostafa Sayah Badkhor, Hashem Babaei * Pages 85-99
    In this paper, a non-dimensional analysis approach has been used to propose two empirical equations based on dimensionless numbers to predict the maximum transverse permanent deflection-thickness ratio of single-layered quadrangular plates under uniformly and locally distributed dynamic loading. In the presented dimensionless numbers, the effect of plate geometry, the impulse of the applied load, the mechanical properties of the plate, the strain-rate sensitivity, and the loading radius have been considered. To validate the empirical models, eight series of conducted experiments and 267 data points in the state of the art over the past forty years have been used. The obtained results show good agreement between the model prediction results and the experimental values so that in the total of 117 experimental data for uniform loading, 94% (110 data) and 98% (115 data) of the data points were distributed in the ±10% and ±20% error range, respectively. Besides, in the total of 150 experimental data for localized loading, 83% (124 data) and 97% (146 data) of data points were distributed in these two ranges, respectively. The results also showed that assuming the material constants as variables based on the plate thickness, in the Cooper-Symonds constitutive equation improves the prediction accuracy of the empirical models so that only 6% and 12% of the data for uniform and localized loading respectively, are not within the 10% error range.
    Keywords: Uniform loading, Localized loading, Non-dimensional analysis, Empirical model, Quadrangular plate
  • Amir Movasati Pages 101-106

    In this article, controlling the end-effector forces is accomplished using a command system with six degrees of freedom. The command system can use a joystick implemented on a parallel mechanism. The follower robot’s end-effector is controlled by the command system and is capable of traversing the reference path with the specified force. To demonstrate this, several paths on different planes are considered and the robot’s end-effector is seen to traverse each assigned path by applying a constant force. It is also possible to identify obstacles and avoid them with this system. The control system is designed so that while approaching an obstacle, the robot’s end-effector does not collide with it. Hence, a general-purpose robot can be navigated with better performance and it can be used as a surgical robot, a robot for carrying sensitive materials or other applications. In such operations, to adjust the contact forces after a collision of the end-effector with the surface, this control system produces the appropriate control feedback. This feedback gives the operator a sense of the forces at the end-effector position and increases the operator manipulation and maneuvering skill.

    Keywords: Force Control, End-effector, Joystick