فهرست مطالب

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و سوم شماره 10 (دی 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/09/14
  • تعداد عناوین: 15
|
  • رضا فراست، مصطفی نصیری* صفحه 1

    در سیستم کنترل تحت شبکه، تاخیر زمانی و اتلاف داده می تواند باعث کاهش عملکرد و یا حتی ناپایداری سیستم شود. کنترل پیش بین یکی از روش های موثر در کاهش اثر تاخیر زمانی و اتلاف داده در سیستم های کنترل تحت شبکه است. در روش کنترل پیش بین ارایه شده، داده های کنترلی تا زمان مطلوب که پوشش دهنده تاخیر زمانی و همچنین اتلاف داده تصادفی در شبکه است، پیش بینی شده و تخمین متغیرهای حالت با استفاده از فیلتر کالمن انجام می شود. با ارسال یک بسته حاوی داده های کنترلی پیش بینی شده به عملگر و انتخاب داده کنترلی مناسب، می توان به عملکرد مطلوب کنترلی سیستم دست یافت. در این مقاله سیستم کنترل تحت شبکه را به عنوان یک سیستم کلیدزن با سیگنال کلید زنی دلخواه در نظر گرفته و بر اساس تیوری سیستم های کلیدزن، معیاری برای بررسی پایداری سیستم حلقه بسته همراه با تاخیر زمانی و اتلاف داده ارایه شده است. تاخیر زمانی و اتلاف داده به عنوان پارامترهای کلیدزن انتخاب شده و زیر مجموعه ای از سیستم های دینامیکی کلیدزن در فضای حالت گسسته ایجاد شده است. با ارایه تابع لیاپانوف برای کلیه زیرمجموعه ها و حل نامساوی های ماتریسی می توان پایداری سیستم را بررسی نمود. نتایج حاصل از شبیه سازی بیانگر اثر اتلاف داده در پایداری سیستم با در نظرگرفتن تاخیر زمانی در مسیرهای پیش خور و پس خور است.

    کلیدواژگان: سیستم کنترل تحت شبکه، کنترل کلیدزن، پیش بینی، تاخیر زمانی، اتلاف داده
  • مریم کیانی*، رضا احمدوند صفحه 2

    فرود بر سیاره مریخ یکی از مسایل مهم و چالشی صنعت فضایی است که با عدم قطعیت های سیستمی و محیطی فراوانی مواجه است. از همین رو، دستیابی به مدل دقیقی از دینامیک مریخ نشین امکانپذیر نیست. در این راستا، پژوهش حاضر به طراحی الگوریتم یکپارچه تخمین و کنترل برای مرحله آخر فرود یعنی نشست پرداخته است بگونه ای که بتواند در برابر عدم قطعیت های موجود عملکرد قابل قبولی ارایه دهد. الگوریتم پیشنهادی بر مبنای چارچوب کارکردی کنترل ساختارمتغیر شکل گرفته و نیاز به ژاکوبین گیری و ایجاد اندازه گیری های مصنوعی را به کمک جایگزینی خطی سازی تحلیلی با خطی سازی آماری و تیوری معکوس تعمیم یافته ماتریس برطرف نموده است. عملکرد الگوریتم پیشنهادی در حضور عدم قطعیت های مختلف ناشی از شرایط اولیه تصادفی دینامیک کوپل مریخ نشین، ناپایداری اتمسفری و خطای مدلسازی نیرو ها و گشتاورهای وارده، تاخیر زمانی عملگرهای کنترلی و با لحاظ کردن قیود هندسی محل فرود و اشباع عملگرها بررسی شده است. در ادامه، عملکرد الگوریتم ناوبری مقاوم پیشنهادی با نتایج حاصل از ترکیب الگوریتم های متداول فیلتر کالمن توسعه یافته و کنترلر تناسبی-انتگرالی-مشتقی در مساله غیرخطی فرود بر سیاره مریخ قیاس شده است. نتایج به دست آمده از شبیه سازی های مونت کارلو به وضوح عملکرد دقیق و مقاوم الگوی ناوبری و کنترل پیشنهادی را نشان داده و برتری آن نسبت به الگوریتم های متداول رایج را تایید می کند.

    کلیدواژگان: تخمین مقاوم، کنترل مقاوم، فرود بر سیاره، فیلتر کالمن مکعبی، فیلتر ساختار متغیر
  • سعید ایرانی*، مسعود خرازان، محمدعلی نوریان صفحه 3

    پدیده های غیرخطی به طور گسترده ای در کاربردهای مهندسی وجود دارند. یک نمونه متداول از این پدیده ها در سازه های هوافضایی، ایجاد ترک های خستگی می باشد که تحت بارهای دینامیکی در طی سیکل ارتعاشات مدام باز و بسته می شوند و سبب ایجاد یک رفتار دو خطی در سازه می شوند. شناسایی دیرهنگام چنین آسیب های سازه ای می تواند منجر به ایجاد خرابی های فاجعه بار شود. بنابراین، شناسایی رفتار غیرخطی سازه ترک دار امری ضروری و بسیار حایز اهمیت می باشد. در این مطالعه رفتار غیرخطی یک تیر یکسرگیردار با یک ترک خستگی تنفسی و رفتار دوخطی مورد بررسی قرار گرفته است. به همین منظور در ابتدا به تخمین تابع چندجمله ای معادل با تابع دو خطی سفتی تیر پرداخته می شود. در ادامه با استفاده از روش اغتشاشات مقیاس های چندگانه معادله غیرخطی تیر مورد بررسی قرار گرفته و روابط دامنه بر حسب فرکانس تنظیمی در هر دو حالت رزونانس های هارمونیک و سوپرهارمونیک استخراج می گردند. سپس به بررسی حساسیت پاسخ به پارامترهایی مانند عمق و محل قرارگیری ترک، مقدار نیروی تحریک و میرایی تیر پرداخته شده است. با توجه به نتایج مشاهده گردید منحنی های پاسخ تیر در رزونانس اصلی در اثر تشدید پارامترهای ترک به شدت غیر خطی شده و دچار پدیده نرم شوندگی منحنی پاسخ گردیده اند. همچنین مطابق با نتایج رفتار تیر در رزونانس سوپرهارمونیک مرتبه دوم حساسیت بالاتری را به وجود ترک تنفسی نسبت به حالت رزونانس اصلی تیر دارد.

    کلیدواژگان: ارتعاشات غیرخطی، ترک تنفسی، رفتار دوخطی ترک، رزونانس سوپرهارمونیک، پایش سلامت سازه
  • محسن تقی زاده، امیررضا عسکری* صفحه 4

    پژوهش پیش رو تاثیر شرایط مرزی مرتبه بالای ناشی از در نظر گرفتن اثر ابعاد کوچک را بر ارتعاشات آزاد ریزپوسته های ضخیم مخروطی مدرج تابعی دوجهته بررسی می کند. مدل حاضر تغییرات پارامتر مقیاس طول مادی را به عنوان یکی از خواص مکانیکی ریزپوسته در راستای ضخامت و همچنین در امتداد محور طولی آن مد نظر قرار می دهد. تیوری های تنش کوپل بهبود یافته و پوسته لاو با در نظر گرفتن تغییر شکل های برشی مرتبه اول به همراه روش ریتز به-خدمت گرفته می شوند تا معادلات مقدار ویژه - بردار ویژه حاکم بر ارتعاشات آزاد ریز سازه تعیین شوند. این معادلات برای چند شرط مرزی مختلف حل می-گردند. نتایج حاضر با نتایج موجود در مقالات مرتبط مقایسه و به صورت موفقیت آمیزی صحه گذاری می شوند. سپس اثرات ابعاد کوچک، شرایط مرزی مرتبه بالا و اندیس های تابع توزیع توانی در هر دو راستای عرضی و طولی بر ارتعاشات ریزپوسته های مخروطی شکل مورد بررسی قرار می گیرند. نتایج حاکی از آنند که شرایط مرزی مرتبه بالا نقشی حیاتی در دینامیک ریزپوسته مخروطی بازی می کنند؛ خصوصا هنگامی که این شرایط مرزی مودهای غالب در دینامیک سازه را مستقیما تحت تاثیر قرار می دهند. همچنین مشاهده گردید اگرچه دینامیک ریزپوسته مخروطی حاضر از اندیس های تابع توزیع توانی در هر دو راستای عرضی و طولی تحت تاثیر می پذیرد، اما حساسیت بیشتری نسبت به اندیس عرضی دارد

    کلیدواژگان: تئوری تنش کوپل بهبود یافته، ریزپوسته های مخروطی، مواد مدرج تابعی دوجهته، شرایط مرزی مرتبه بالا، روش ریتز
  • غلامرضا زارع پور*، ایلقار جوانشیر صفحه 5

    در این تحقیق رفتار ارتعاشات غیرخطی تیر اویلر-برنولی ویسکوالاستیک تحت تاثیر جریان سیال خارجی مطالعه شده است. معادلات حاکم بر حرکت با فرض روابط کرنش-جابجایی غیرخطی ون کارمن و در نظر گرفتن اندرکنش بین سازه و سیال به دست آمده است. به منظور در نظر گرفتن فرضیات واقع بینانه تر، برخلاف تحقیقات قبل اثر رفتار ویسکوالاستیک با استفاده از مدل کامل تر و واقع بینانه تر ماده جامد استاندارد در نظر گرفته شده است. پس از بی بعدسازی معادلات حرکت، معادلات دیفرانسیل غیرخطی حاکم توسط روش گالرکین گسسته سازی شده و سپس پاسخ تحلیلی سیستم با استفاده از روش مقیاس های زمانی چندگانه به دست آمده است. پس از صحت سنجی نتایج و تایید دقت روش نیمه تحلیلی با نتایج حاصل از حل عددی، تاثیر پارامترهای مختلف بر رفتار دینامیکی سیستم مطالعه شده است. نتایج نشان می دهد رفتار ویسکوالاستیک و مدل غیرخطی تاثیر قابل ملاحظه ای بر ناحیه قفل شدگی و همچنین حداکثر دامنه نوسانات تیر ویسکوالاستیک دارد. با توجه به اینکه در اکثر مطالعات انجام شده در زمینه ارتعاشات تیرهای ویسکوالاستیک، اثر میرایی در جملات غیرخطی صرف نظر شده است، ولی نتایج این تحقیق نشان می دهد که تاثیر میرایی بر جملات ناشی از غیرخطی بودن میدان های کرنش قابل ملاحظه بوده و این اثرات بایستی در استخراج معادلات حرکت حاکم بر رفتار ارتعاشاتی سازه های ویسکوالاستیک در نظر گرفته شود.

    کلیدواژگان: ارتعاشات القائی ناشی از جریان سیال، تیر ویسکوالاستیک، مدل جامد استاندارد، روش مقیاس های زمانی چندگانه
  • یوسف ملاپور، اسماعیل پورسعیدی* صفحه 6

    پره های متحرک ردیف اول چهار کمپرسور جریان محوری توربین گازی به دلیل وجود اجزای خورنده در محیط و افزایش امکان ایجاد حفره روی پره ها به طور ناگهانی شکسته شدند. در این پژوهش به بررسی عددی و آزمایشگاهی خوردگی حفره ای روی پره از جنس آلیاژ CUSTOM 450 در شرایط کارکرد واقعی کمپرسور توربین گازی پرداخته می شود. بررسی های رپلیکا، میکروسکوپ الکترونی روبشی و شکست نگاری پره ی شکسته شده، نشان داد که حفره ها تحت مکانیزم ترک خوردگی تنشی به هم متصل شده و یک حفره ی بزرگ تر را تشکیل داده اند که این موجب کاهش بیشتر زمان واماندگی شده است. حفره های موجود روی پره، با نرم افزار کامسول شبیه سازی و تحت نیروهای وارده تحلیل شده است. نتایج شبیه سازی، محل تمرکز تنش بیشینه را داخل یکی از حفره ها مشخص کرده است که با محل ترک خوردگی تنشی در عمق حفره هم خوانی دارد. حفره ها به یکدیگر متصل شده و به ترک خوردگی تنشی تبدیل می شود و با عنایت به خورندگی محیط، مکانیزم خستگی خوردگی نیز فعال می شود. ناحیه ی تمرکز تنش در حفره ها واضح است که محل شروع ترک خوردگی تنشی و خستگی خوردگی می باشند. وجود حفره های روی پره، باعث افزایش تنش برابر 130 مگاپاسکال نسبت به پره بدون حفره شده است. نتایج بدست آمده مطابقت مناسبی با مشاهدات فرکتوگرافی در محل ترک و نتایج تجربی دارد که صحه گذار بر درستی شبیه سازی عددی می باشد.

    کلیدواژگان: آلیاژ CUSTOM 450، خوردگی حفره ای، نرم افزار کامسول، ترک خوردگی تنشی، پره ی کمپرسور
  • مجید رضا آیت اللهی*، هادی صادقیان، علیرضا ترابی صفحه 7

    هدف از این پژوهش، بررسی تجربی و تیوری چقرمگی شکست صفحات مربعی شیاردار همراه با پیش ترک مرکزی تحت بارگذاری مود 2 خالص است. این صفحات از فولاد ضد زنگ 316-ال با خاصیت چکش خواری و کرنش- سختی بالا، ساخته شده اند. به منظور تعیین تیوری چقرمگی شکست قطعات مورد نظر، از مفهوم ماده فرضی استفاده شده است. با استفاده از این مفهوم می توان بدون نیاز به تحلیل های پیچیده الاستیک-پلاستیک و تنها با بکارگیری تحلیل های مکانیک شکست الاستیک خطی، چقرمگی شکست مواد چکش خوار را پیش بینی کرد. به عبارت دیگر، براساس فرضیات مفهوم ماده فرضی می توان ماده ترد فرضی با خاصیت الاستیک خطی را جایگزین فولاد 316-ال کرد. سپس با ترکیب مفهوم ماده فرضی با معیارهای تنش میانگین، تنش میانگین تعمیم یافته، بیشینه تنش مماسی، بیشینه تنش مماسی تعمیم یافته، چگالی انرژی کرنشی و چگالی انرژی کرنشی تعمیم یافته، مقادیر چقرمگی شکست قطعات مورد نظر تخمین زده می شود. به منظور تایید مقادیر چقرمگی شکست تخمین زده شده، آز مون های شکست بر روی نمونه های آزمایشگاهی مورد نظر انجام شده است. مشاهدات تجربی نشان می دهد که این قطعات در آستانه رشد ترک، تغییر شکل پلاستیک زیادی را تجربه می کنند. مقایسه نتایج نشان می دهد که معیارهای ترکیبی بررسی شده می توانند بخوبی نتایج تجربی را پیش بینی کنند.

    کلیدواژگان: مفهوم ماده فرضی، رشد ترک، بارگذاری مود2، شکست الاستیک خطی، چقرمگی شکست
  • رسول محسن زاده* صفحه 8

    در این پژوهش، تاثیر نانو ذرات زیولیت بر خواص سایشی پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا که کاربرد فراوانی در ایمپلنت های ارتوپدی دارند، مورد مطالعه قرار گرفته است. بهبود خواص تریبولوژی این پلیمر، از جمله چالش های صنعت پزشکی می باشد و تاثیر مستقیم بر عمر ایمپلنت های ارتوپدی دارد. نمونه های استوانه ای نانوکامپوزیتی بر پایه آمیخته پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا حاوی نانوذرات زیولیت (2، 4 و 6 قسمت وزنی) به روش اکسترودر و قالب گیری تزریقی تولید شد. شکل شناسی نمونه ها با میکروسکوپ الکترونی روبشی مطالعه شد. با استفاده از آزمون پین روی دیسک، مقدار سایش، دما و ضریب اصطکاک تحت نیروی فشاری N 50 و سرعت ثابت m/s 5/0 اندازه گیری شد. مقدار سایش، دما و ضریب اصطکاک در نمونه حاوی 4 قسمت وزنی از نانو زیولیت، پس 4500 متر، به ترتیب حدود 56، 32 و 26 درصد کمتر از نمونه پلی اتیلنی خالص مشاهده شد. در مقابل، بکارگیری 6 قسمت وزنی از نانو ذرات زیولیت، منجر به کلوخه شدن ذرات و افزایش مقدار سایش، دما و ضریب اصطکاک، نسبت به نمونه های نانوکامپوزیتی شد. علاوه براین، مورفولوژی نمونه های نانوکامپوزیتی، پس از آزمون، سطح صافتر و با آثار سایش خراشی کم عمق تر نسبت به سطح ساییده شده نمونه پلی اتیلنی خالص نشان داد.

    کلیدواژگان: پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا، نانو زئولیت، نانوکامپوزیت، سایش، اصطکاک
  • امیرحسین قاسمی، ولی الله پناهی زاده* صفحه 9

    تکنولوژی ساخت افزایشی که با نام نمونه سازی سریع نیز شناخته می شود، از جدیدترین فرایندهای ساخت و تولید به شمار می آید و روش های مختلفی برای ساخت به این روش ابداع شده است. یکی از پرکاربردترین این روش ها، ذوب بستر پودری با استفاده از پرتوی لیزر (LB-PBF) است. متغیرهای متعددی در ساخت به این روش وجود دارد که می توان به قدرت دستگاه، سرعت لیزر، زاویه چاپ و فاصله دو مسیر متوالی به عنوان مهمترین موارد نام برد. اعمال تغییر در موارد یاد شده تاثیر مستقیم بر عیوب و کیفیت نمونه ساخته شده دارد. فرایندهای تکمیلی مانند عملیات حرارتی نیز برای بهبود خواص و عملکرد قطعه به کار گرفته می شوند. انتخاب مناسب و درست متغیرهای ساخت و عملیات تکمیلی علاوه بر بهبود خواص قطعه می تواند سبب کاهش هزینه ها و زمان ساخت قطعه شود. در این مقاله با استفاده از الگوریتم ژنتیک متغیرهای بهینه برای دستیابی به بیشترین چگالی نسبی و کمترین زبری سطح معرفی می شوند. نتایج بهینه سازی حاکی از این است که، شرایط مربوط به بیشترین چگالی نسبی و سطح با زبری کمتر بر اساس نمودار پارتوی جلویی یکتا نبوده و با توجه به این نمودار انتخاب های متعددی در یکی همسایگی مشخص برای دستیابی به این منظور وجود دارند.

    کلیدواژگان: ساخت افزایشی، چگالی نسبی، زبری سطح، بهینه سازی، الگوریتم ژنتیک
  • زهرا قدیمی، بهروز حسنی* صفحه 10

    در این مقاله تحلیل آیزوژیومتری سازه های پوسته ای همراه با پیشنهاد روشی بهینه برای محاسبه بردارهای گرهی ارایه شده است. هندسه پوسته با استفاده از سطوح نربز با بیشینه پیوستگی در سطح میانی و تعریف بردارهای گرهی دقیق در راستای ضخامت توصیف شده است. با توجه به استفاده از فرمول بندی میندلین رایزنر، برای درونیابی چرخش ها به بردارهای جهت در نقاط کنترلی نیاز است. این بردارها باید به نحوی محاسبه شوند تا بردارهای درونیابی شده در هر نقطه دلخواه روی سطح دقیق باشند. در این راستا، مولفه های بردارهای جهت در نقاط کنترلی با استفاده از حل دستگاه معادلات روی کل وصله بدست آمده اند که در آن دستگاه معادلات با استفاده از مقادیر معلوم بردارهای جهت در فواصل گریویل تعریف شده است. دقت روش استفاده شده با حل مسایل رایج در تحلیل پوسته بررسی شده است و نتایج بدست آمده برای جابجایی، کارایی روش پیشنهادی را نشان می دهد. رفتار همگرایی با افزایش درجه توابع و تعداد نقاط کنترلی، مورد بررسی قرار گرفت و دیده شد که برخلاف روش های معمول تعریف بردارهای گرهی، مشکل کاهش دقت حل با افزایش درجه توابع در شبکه بندی درشت وجود ندارد، که امکان استفاده از شبکه بندی درشت را می دهد. با توجه به تناظر یک به یک بین نقاط کنترلی و گریویل، تعریف دستگاه معادلات روی این نقاط منجر به جواب یکتایی برای بردارهای گرهی می شود و با حذف معادلات اضافی، زمان محاسبه بردارها به طور چشم گیری کاهش می یابد.

    کلیدواژگان: تحلیل آیزوژئومتری، بی اسپلاین غیریکنواخت کسری، پوسته میندلین، رایزنر، نقاط گریویل، بردارهای جهت گرهی
  • علی مهدوی، مهدی یزدانی*، زهرا خسروی انجدانی صفحه 11

    بسیاری از اعضای موجود در سازه ها تحت اثر لنگر پیچشی قرار دارند، بنابراین شناخت رفتار پیچشی این اعضا از اهمیت بسیاری برخوردار است. بررسی رفتار پیچشی مقاطع جدار نازک و مقاطعی با شکل هندسی ساده با استفاده از روش های تحلیلی و رایج امکان پذیر است. در صنعت های خاص ممکن است در تحلیل و طراحی سازه ها مقاطعی نیاز باشند که هندسه ی آنها خارج از چارچوب مقاطع مرسوم طبقه بندی شود و از آنجایی که محاسبه پاسخ این مقاطع با روش های رایج امکان ناپذیر یا دشوار است، بنابراین توسعه روش های جدیدتر بسیار ضروی به نظر می رسد. از جمله این مقاطع می توان به مقطع ذوزنقه ای اشاره نمود. به علت دشواری تحلیل دقیق مسایل با دامنه های نامتقارن، روش های نیمه تحلیلی و عددی بهترین جایگزین برای حل این دسته از مسایل است. یکی از روش های مناسب برای حل مسایل مقدار مرزی، روش حساب تغییرات است که از میان این روش ها روش نیمه تحلیلی کانتوروویچ که تعمیم یافته روش رایلی-ریتز است به دلیل عدم محدودیت انتخاب تابع اولیه جهت برآورد شرایط مرزی یک روش قدرتمند جهت حل مسایل است. هدف از پژوهش حاضر توسعه روش کانتوروویچ برای حل معادله حاکم بر مسئله پیچش، محاسبه اعوجاج و میدان تنش مقطع دلخواه ذوزنقه به صورت مستقیم است. به منظور ارزیابی دقت روش کانتوروویچ، حل حاصل از این روش با سایر روش های موجود مقایسه شده است. نتایج حاکی از دقت بالا و همگرایی سریع روش مذکور است.

    کلیدواژگان: مسئله پیچش، روش کانتوروویچ، مقاطع ذوزنقه ای، تابع اعوجاج، میدان تنش پراندتل
  • بابک زاهد، امین بهزادمهر*، حسن آذرکیش، طاهره فنایی شیخ الاسلامی، قاسم میری علی آباد صفحه 12

    تزریق مداوم دارو نقش مهمی در تاثیرگذاری دارو ایفا می کند، با این حال در اغلب موارد، اندازه، وزن و توان مصرفی پمپ های تزریق متداول فاکتورهای مهمی هستند که مشکلات عمده ای برای راحتی بیمار در حین تزریق مداوم ایجاد می کند. هدف پژوهش حاضر طراحی و بهینه سازی یک میکروپمپ هیدرودینامیک مغناطیسی به منظور تزریق مداوم دارو است. به منظور بررسی امکان تزریق دارو توسط پمپ مذکور، یک مدل ریاضی برای میکروپمپ هیدرودینامیک مغناطیسی پیشنهاد و به صورت تحلیلی حل شده است. سپس به منظور راحتی بیمار حین تزریق، میکروپمپ با استفاده از الگوریتم ژنتیک مرتب سازی غیرمغلوب (NSGA II) بهینه گردید. پارامترهای تعداد سطر و ستون کانال ها، عرض و ارتفاع کانال و همچنین ولتاژ کارکرد به عنوان متغیرهای تصمیم گیری در بهینه سازی چند هدفه انتخاب شد و در ادامه، نتایج بهینه سازی به صورت نمایش جبهه پرتو گزارش داده شده است. شش حالت مختلف که خصوصیات موردنظر طراحی را دارا بود با استفاده از روش تصمیم گیری فازی انتخاب شد. در ادامه نیز مدل دینامیک سیالات محاسباتی برای پیش بینی شکل گیری حباب به دلیل الکترولیز سیال تهیه شد. طراحی حاضر علاوه بر قابلیت اطمینان بالاتر به دلیل نداشتن قسمت های مکانیکی، قابلیت تحویل جریان سیال تا 48 برابر بیشتر، در ولتاژ کارکردی سه برابر کمتر، در مقایسه با میکروپمپهای متداول را داراست. علاوه بر این، طراحی حاضر قابلیت اطمینان بالاتر و فرایند ساخت ساده تر بدون هیچگونه بخش مکانیکی را نیز داراست.

    کلیدواژگان: میکروپمپ هیدرودینامیک مغناطیسی، تزریق دارو، محلول آبی نمکی، بهینه سازی چندهدفه
  • معصومه سلطانی*، آزاده سلطانی صفحه 13

    کامپوزیت های لایه ای الیاف-فلز که از ترکیب لایه های فلزی و کامپوزیت های تقویت شده با الیاف ساخته می شوند، به دلیل وزن کمتر و خواص مکانیکی مناسب تر، در صنایع هوایی، دریایی و خودروسازی کاربرد فراونی پیدا کرده اند. در این پژوهش برای اولین بار پایداری جانبی-پیچشی تیر باریک شونده با مقطع I شکل متقارن از جنس کامپوزیت هیبریدی چند لایه الیاف-فلز مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور، معادلات پایداری جانبی-پیچشی و شرایط مرزی با به کارگیری مدل ولاسو برای مقاطع جدار نازک باز، تیوری کلاسیک لایه ای و با فرض تغییر شکل های کوچک تعیین می گردند. سپس با استفاده از یک رابطه کمکی دستگاه معادلات حاکم به یک معادله دیفرانسیل مستقل مرتبه چهار برحسب زاویه پیچش تبدیل می شود. در ادامه، معادله نهایی با بهره گیری از روش عددی مربعات دیفرانسیل و فرضیات این روش حل و مقدار بار کمانش جانبی-پیچشی محاسبه می شود. پس از بررسی صحت و دقت روش معرفی شده، اثرات پارامترهای مهم مانند، چیدمان لایه ها، زاویه قرارگیری الیاف، جنس الیاف، تغییر ارتفاع جان تیر، محل اعمال بار عرضی و کسر حجمی فلز بر ظرفیت کمانش جانبی تیر جدار نازک با مقطع متغیر و شرایط انتهایی گیردار-آزاد مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان داد که چیدمان بهینه با قرار گیری لایه های الیافی سازنده بال تیر با زاویه صفر درجه و لایه های الیافی تشکیل دهنده جان با زاویه 45 درجه بین دو ورق آلومینیومی حاصل می شود.

    کلیدواژگان: کامپوزیت فلزی-الیافی، کمانش جانبی-پیچشی، تیر جدار نازک، تیر ماهیچه ای، روش مربعات دیفرانسیلی
  • حامد امینی ویدا، حسن شکراللهی*، رضا بیگ پور صفحه 14

    در این مقاله، رفتار پوسته استوانه ای کامپوزیتی تقویت شده با نانولوله های کربنی تحت بار حرارتی و شرایط تکیه گاهی ساده، به روش تحلیلی و عددی مورد بررسی قرار گرفته است. میدان جابجایی خطی و بر اساس تیوری تغییر شکل برشی مرتبه اول فرض شده است. برای حل معادلات از روش انرژی ریتز و نرم افزار المان محدود آباکوس استفاده شده است. برای تعیین ویژگی ها و خواص مکانیکی ماده، تیوری اختلاط با پنج شکل مختلف توزیع نانولوله ها به کار رفته است. این توزیع نانولوله ها به شکل یکنواخت و شکل های V، A، X و O، با فرض توزیع یکنواخت دما و عدم وجود شار حرارتی تولیدی در پوسته در نظر گرفته شده است. در هر یک از این حالت ها، شرایط تکیه گاهی یکسان است، اما درجه حرارت، شرایط مرزی حرارتی و مقادیر توابع حجم نانولوله کربنی متفاوت است. نتایج اعتبارسنجی نشان می دهد که هر دو روش حل انرژی و المان محدود دارای تطابق خوبی با یکدیگر هستند. نتایج تفاوت رفتار هر یک از مدل های ماده توزیع نانولوله های کربنی و همچنین تاثیر افزایش درجه حرارت و افزایش تابع حجم نانولوله های کربنی بر روی گرادیان حرارت، مولفه های تنش و جابجایی نمایش داده شده است. نتایج نشان می دهد که افزایش تابع حجم نانولوله کربنی باعث افزایش مقادیر تنش و گرادیان حرارتی شده و از طرف دیگر باعث کاهش جابجایی شده است.

    کلیدواژگان: پوسته استوانه ای، کامپوزیت، نانولوله کربنی، تنش حرارتی، روش ریتز
  • علیرضا ملائی اردستانی، قاسم اعظمی راد* صفحه 15

    فرآیند تزریق پلاستیک یکی از رایج ترین روش ها در تولید قطعات پلاستیکی است. در این فرآیند عیوب بسیاری ممکن است رخ دهند که کیفیت قطعه را دچار مشکل می کنند. یکی از این عیوب، برش جریان است که در منابع مختلف در مورد پارامترهای موثر بر این عیب و راه های رفع آن کمتر صحبت شده است. لذا در این تحقیق سعی شده پارامترهای موثر بر آن شناسایی شده و با بهینه سازی پیشنهاداتی جهت کاهش عیب ارایه شود. بدین منظور هشت پارامتر با احتمال تاثیر در بروز این عیب در نظر گرفته شد. برای بررسی تاثیر یا عدم تاثیر و همچنین میزان و نحوه ی اثر این پارامترها بر عیب برش جریان، یک طراحی آزمایش عاملی کسری با هشت فاکتور و دو سطح انجام شد. سپس با انجام آنالیزهای المان محدود در نرم افزار مولدفلو و صحت سنجی آنالیزها بوسیله تست تجربی، مساحت عیب در هر آنالیز محاسبه شد. پس از آنالیز واریانس داده ها، مشخص شد که پارامترهای قطر راهگاه، فشار نگهداری، سرعت تزریق، و دمای مواد به ترتیب بیشترین تاثیر را در این عیب دارند. پس از این، برای چهار پارامتر ذکرشده، طراحی آزمایش مرکب مرکزی انجام شد و پس از انجام آنالیز المان محدود و آنالیز واریانس روی داده ها، مشخص شد که با افزایش پارامترهای دمای مواد و فشار نگهداری و کاهش قطر راهگاه ها و سرعت تزریق تا حد بهینه ی محاسبه شده، می توان مساحت عیب برش جریان را به میزان %2/82 کاهش داد.

    کلیدواژگان: تحلیل المان محدود، قالب گیری تزریق پلاستیک، عیب برش جریان، بهینه سازی، تحلیل واریانس
|
  • Reza Ferasat, Mostafa Nasiri * Page 1

    In the networked control system, time delay and data dropout can degrade the system performance or even cause instability. Predictive control is one of the effective methods to reduce the effect of time delay and data dropout in networked control systems. In the proposed predictive control method, the control data is predicted as long as it covers the time delay and data dropout in the network, and the estimation of state variables is performed using the Kalman filter. By sending a package containing the predicted control data to the actuator and selecting the appropriate control data, the desired control performance of the system can be achieved. In this paper, the networked control system is considered as a switching system with an arbitrary switching signal. A criterion for evaluating the stability of the closed-loop system with time delay and data dropout is presented based on the theory of switching systems. Time delay and data dropout are selected as switching parameters and a subset of switching dynamic systems is created in the discrete state space. By providing the Lyapunov function for all subsets and solving matrix inequalities, the stability of the system can be investigated. The simulation results show the effect of data dropout on the stability of the system by considering the time delay in the forward and feedback channels.

    Keywords: Networked Control System, Switching systems, Predict, Time Delay, Data Dropout
  • Maryam Kiani *, Reza Ahmadvand Page 2

    Landing on Mars is one the most important space missions undergoing various system and environmental uncertainties. Subsequently, an exact model to represent the dynamic system cannot be provided in advance. In this regard, the present paper has focused on designing an integrated estimation and control algorithm bringing accurate navigation in the presence of uncertainties for the landing problem. The proposed algorithm has been shaped based on the variable structure control framework. This algorithm alleviates the requirement of Jacobian via substituting statistical linearization for the analytical one and utilizing generalized matrix inverse theory. Performance of the proposed algorithm has been investigated via Monte Carlo simulations in the presence of different uncertainties including stochastic initial conditions of the coupled Mars lander dynamics, atmosphere instability and modeling errors of the exerted forces and moments, time delay of actuators, geometric constraint of the landing site as well as the saturation limitations of actuators. In addition, the obtained results have been compared to the results obtained from combination of well-known extended Kalman filter and PID controller. This study clearly shows the precise and robust performance of the proposed integrated estimation and control algorithm and proves its superiority against existing widespread algorithms.

    Keywords: Robust estimation, Robust Control, Landing, Cubature Kalman filter, Variable structure filter
  • Saeid Irani *, Masoud Kharazan, MohammadAli Noorian Page 3

    Nonlinear phenomena widely exist in engineering applications. A common example of this phenomenon in aerospace structures is the creation of fatigue cracks that open and close continuously under dynamic loads during the vibration cycle, causing a bilinear behavior in the structure. Late detection of such cracks can lead to a catastrophic failure. Therefore, identifying the nonlinear behavior of the cracked structure is very important for the prevention of structural failures. In this study, the nonlinear vibration behavior of a cantilever beam with a transverse breathing crack with bilinear behavior has been studied. For this purpose, we first estimate the polynomial function equivalent to the bilinear function of the beam stiffness. Then, using the well-known perturbation method, the method of multiple scales, the nonlinear equation of the beam is solved, and the frequency response equations for both harmonic and superharmonic resonances are extracted. Then, the sensitivity of the responses to the crack parameters such as depth, location, excitation force, and damping coefficient are investigated. The beam frequency response curves in the main resonance have become highly nonlinear due to the increase of the crack parameters and causes softening of the curves. Also, according to the results of the beam vibrations in superharmonic resonance, it was observed that the behavior of the beam in superharmonic resonance has a higher sensitivity to the existence of the breathing crack.

    Keywords: Nonlinear vibration analysis, Breathing Crack, Crack bilinear behavior, superharmonic resonance, Structural health monitoring (SHM)
  • Mohsen Taghizadeh, AmirReza Askari * Page 4

    The present paper investigates the influence of higher-order boundary conditions caused by accounting the small scales effect on free vibrations of bi-directional functionally graded thick conical micro-shells. The present model accounts for the gradation of the material length scale parameter as one of the micro-shell mechanical properties along its thickness as well as its axial axis. The modified couple stress as well as the first-order shear deformable love shell theories together with the Ritz method are employed to obtain the eigenvalue eigenvector equations governing on the free vibrations of the micro-structure. These equations are solved for some different types of boundary conditions. The present findings are compared and successfully validated by the available results in the literature. The influences of small scales, higher-order boundary conditions and power law distribution indices in both the transversal and axial directions on free vibrations of conical micro-shells are then investigated. The results reveal that higher-order boundary conditions play a crucial role in dynamics of conical micro-shells especially when these boundary conditions directly affect the eigenmodes which are dominant in the dynamics of the structure. In addition, it is observed that although the dynamics of the present conical micro-shell is affected by the power law distribution indices in both the transversal and axial directions, it is more sensitive to the transversal one.

    Keywords: Modified Couple Stress Theory, Conical micro-shells, Bi-directional functionally graded materials, Higher-order boundary conditions, The Ritz method
  • Gholamreza Zarepour *, Ilghar Javanshir Page 5

    In this research non-linear vibration behavior of viscoelastic Euler-Bernoulli beam under the influence of external fluid flow has been studied. The governing equations of motion are obtained by assuming non-linear strain-displacement relations and considering the interaction between structure and fluid. To consider more realistic hypotheses, contrary to previous researches, the effect of viscoelastic behavior has been considered using a more complete and realistic model called the Standard linear solid model. After non-dimensionalizing the motion equations, the governing non-linear differential equations are discretized using the Galerkin method. Then, the system's analytical response is acquired through the method of Multiple Time Scales. After verifying the results and confirming the analytical method's accuracy with the numerical solution results, different parameters' effect on the system's dynamic behavior has been analyzed. The results indicate that the viscoelastic behavior and the non-linear model significantly affect the lock-in area and the maximum amplitude of the viscoelastic beam oscillations. The maximum vibration amplitude for the third type's viscoelastic coefficients occurs in the fluid velocity range u = 1, equal to 0.127. Furthermore, the lock-in area is created for the beam with viscoelastic coefficients of the first type in the velocity range u = 0.85 and the second type's viscoelastic coefficients in the speed range, u = 0.62.

    Keywords: fluid-induced vibration, viscoelastic beam, Standard Linear Solid model, Method of Multiple Scales
  • Yousef Mollapour, Esmaeil Poursaeidi * Page 6

    First row rotating blades of four axial-flow compressors were prematurely fractured. Previous investigations showed that the site atmosphere contains corrosive compounds which lead to an increase in possibility of pitting on the blades. To this end, experimental and numerical studies are considered. Replica testing, Scanning Electron Microscope (SEM) and fractography of the broken blade indicate that the pits join together and make one bigger pit under SCC mechanism which reduces the failure time. 3-D models of the pitting on the blade under existing forces are analyzed by COMSOL Multiphisics software. The simulation results show the location of maximum stress concentration inside one of the pits which is compatible with the location of initial SCC crack in the pit depth. Finite element analysis shows good similarities with fractography photos. Stress concentration and interaction of stresses around the pits are two mechanical reasons for initiation and growth of cracks. Calculations show that the occurrence of SCC at the location of the pit reduces the crack initiation time to half. The presence of pits increased the stress by approximately 130 MPa relative to the healthy blade. The part between the two pits with a stress of approximately 180 MPa showed the interaction of the two pits in the operating conditions of the compressor blade.

    Keywords: CUSTOM 450 alloy, Pitting corrosion, COMSOL Multiphysics Software, Stress corrosion cracking, compressor blade
  • Majid Reza Ayatollahi *, Hadi Sadeghian, AliReza Torabi Page 7

    In this research, the fracture toughness of O-notched diagonally loaded square plate (DLSP) samples with pre-existing cracks is investigated theoretically and experimentally under pure mode II loading. These specimens are made of the stainless steel 316L, which is highly ductile and has great strain-hardening. For theoretical prediction of the fracture toughness of desired specimens, the Fictitious Material Concept (FMC) is employed. By using FMC, complex elastoplastic failure analysis can be avoided and by performing linear elastic analysis, the fracture toughness of DLSP specimens can be estimated. Based on the assumptions of FMC, the stainless steel 316L can be replaced with a virtual brittle material having linear elastic behavior. Then, by coupling FMC with mean stress, generalized mean stress, maximum tangential stress, generalized maximum tangential stress, strain energy density and generalized strain energy density criteria, fracture toughness of the cracked DLSP samples are estimated. To verify the estimated fracture toughness, several fracture tests are performed on DLSP specimens. Experimental observations reveal that these specimens experience significant plastic deformations at the onset of crack propagation. It is shown that combination of FMC with six linear elastic brittle fracture criteria is quite successful in predicting the crack growth instance in ductile DLSP specimens.

    Keywords: Fictitious Material Concept, crack propagation, Mode II loading, Linear elastic fracture, Fracture Toughness
  • Rasool Mohsenzadeh * Page 8

    In this research article, the effect of zeolite nanoparticles on the tribological properties of high molecular weight polyethylene, which are widely used in orthopedic implants, has been studied. Improving the tribological properties of this polymer is one of the medical industry challenges which has an important effect on the life-time of orthopedic implants. Nanocomposites based on ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) blend, containing 2 to 6 phr of nano-zeolite, were prepared via melt compounding followed by injection molding. The morphology was studied using scanning electron microscopy. The wear and temperature of specimens as well as friction coefficient were characterized by employing a pin on disk test under 50 N and sliding velocity of 0.5 m/s. The wear rates, temperature and friction coefficient of nanocomposite containing 4 phr of nano-zeolite, were 56, 32 and 26%, respectively, lower than those of neat UHMWPE. In contrast, the application of 6 phr of of nano-zeolite, led to agglomeration and increased wear, temperature and coefficient of friction compared to nanocomposite samples. In addition, the morphology of nanocomposite samples, after testing, revealed a smoother surface with the mild abrasion marks than that of of pure UHMWPE sample.

    Keywords: UHMWPE, nano-zeolite, Nanocomposite, wear, fiction
  • AmirHossein Ghasemi, Valiollah Panahizadeh * Page 9

    Additive manufacturing (AM) technology also called rapid prototyping (RP) is a novel manufacturing process and several methods cared out this technology. One the most popular AM technique called Laser Powder Bed Fusion (LB-PBF). Several parameters involved in this method and 4 of most important factors are Laser Power (LP), Scanning Speed (SS), Infill Pattern Angle (PA) and Hatch space (HS). Change in this parameter has a direct effect on defects and fabricated parts quality. Post processing treatment such as heat treatment cared out in order to improve part property and applications. Built time and costs reduce significantly by suitable choice of process parameters and post processing treatments. In this article Genetic Algorithm (GA) cared out to highest relative density and lowest surface roughness and best value of each parameter presented. The results shown that there are number of situations corresponds best relative density and surface roughness according to the pareto front diagram, and there are several choices in a specific neighborhood. The best results could achieve by using of 102-105 wat of laser power, 623-630 mm.s-1 scan speed, 73-76 µm of hatch space and 638-640 °C of heat treatment temperature.

    Keywords: Additive Manufacturing, Relative density, Surface roughness, optimization, genetic algorithm
  • Zahra Ghadimi, Behrouz Hassani * Page 10

    In this paper, the isogeometric analysis of shell structures along with the optimal method for accurate calculation of nodal vectors is proposed. The Nurbs surface with maximum regularity is used for shell mid-surface description. According to the Reisner- Mindlin hypothesis, the director vectors at control points are needed for the interpolation of the rotations. The calculated nodal direct vectors must lead to exact interpolated director vectors on the shell surface. Hence, a method has been proposed in which the components of director vectors at control points are obtained by solving a system of equations on the whole patch. The system of equations is formed using known values of direction vectors at the Greville points. The accuracy of the proposed method has been investigated by using the results of the most common problem in shell analysis. Convergence behavior for displacement at the loading points has been studied in all solved problems for different order of NURBS and net of control points. The deformation results show better convergence behavior with increasing the regularity and order of NURBS. The knot averages are in a one-to-one correspondence with control points. Thus, the system of equations on these points leads to a unique solution for the nodal direction vectors, and the time to solve equations is significantly reduced.

    Keywords: Isogeometric analysis, Non-uniform rational B-spline, Reissner-Mindlin shells, Greville points, nodal vectors
  • Ali Mahdavi, Mahdi Yazdani *, Zahra Khosravi Enjedani Page 11

    Several members in some structures tolerate torsional moment. Therefore, comprehending the torsional behavior of these members is essential. Investigating the torsional behavior of thin-walled sections and simple sections is possible by analytical and common numerical methods. The analysis and design of some structures with special sections (e.g., trapezoidal sections) in specific industries make it impossible to calculate these sections' responses using common methods. Therefore, the development of novel methods as alternative approaches seems very necessary. Due to the difficulty of analytical solution with asymmetric domains, semi-analytical and numerical methods are the most desirable alternatives. One of the proper methods for solving the boundary value problem is the vibrational methods. Moreover, the Kantorovich quasi-analytical method, an extension form of the Rayleigh-Ritz method, is an appropriate method for solving problems due to the lack of limitation in selecting the primary function for estimating boundary conditions. Therefore, the purpose of the present study is to develop the Kantorovich method to solve the governing equation of the torsion problem and estimate the warping and stress field of the arbitrary trapezoidal sections directly. Finally, the solution is compared with other existing methods to evaluate the accuracy of the Kantorovich method. The results indicate high precision and rapid convergence of this quasi-analytical method.

    Keywords: Torsion problem, Kantorovich method, trapezoidal sections, Warping function, Prandtl&rsquo, s stress distribution
  • Babak Zahed, Amin Behzadmehr *, Hassan Azarkish, Tahereh Fanaei Sheikholeslami, Ghasem Miri-Aliabad Page 12

    Continuous drug infusion plays an important role in drug effectiveness. However, in most cases, the size, weight and power consumption of the conventional pumps are among the most important factors that cause a lot of problems for the patient comfort. The present work aims to design and optimize a Magneto hydrodynamic micro pump for continuous drug infusion. A mathematical model of Magneto hydrodynamic micro pump is proposed and solved analytically to investigate its feasibility for drug infusion. For the patient's comfort, the micro pump is optimized using non-dominated sorting genetic algorithm II. The number of channel rows and columns, channel height and width, and driving voltage are chosen as decision variables for multi-objective optimization. The Pareto front of the optimization result is presented. Six possible cases that meet the desired specifications are selected using a fuzzy decision-making approach. A computational fluid dynamic model is adopted to predict bubble formation due to the electrolysis phenomena. With higher reliability without any mechanical part, the present design can deliver drug flow 48 times while its driving voltage is 3 times lower than a conventional micro pump. In addition, it provides potentially better reliability and a simple fabrication process without any mechanical part.

    Keywords: MHD micro pump, Drug infusion, Aqueous salt solution, Multi-objective optimization
  • Masoumeh Soltani *, Azadeh Soltani Page 13

    Fiber metal laminates (FMLs) are a new class of hybrid materials that consist of thin metal sheets and fiber reinforced epoxy composite layers. Due to their significant characteristics, FMLs have been widely employed in a variety of engineering applications specifically aerospace industry. In this paper, the lateral-torsional buckling behavior of thin-walled FML beams with varying I-section is perused using an innovative and accurate methodology. Considering the coupling between the bending displacements and the twist angle, the system of lateral stability equations are derived via energy method in association with Vlasov’s model for thin-walled beam and the classic lamination theory. By uncoupling the equilibrium differential equations, the system of governing equations is transformed to a fourth-order differential equation in terms of the twist angle. The differential quadrature method is then applied to solve the resulting equation and to acquire the lateral buckling loads. The accuracy of the proposed methodology has been investigated by comparing the results with the outcomes obtained using ANSYS finite element software. In the following, the effect of significant parameters such as stacking sequence, fiber angle, fiber type, web tapering ratio, load height parameter and volume fraction of metal on lateral buckling load of fixed-free FML tapered I-beam under uniformly distributed load has been investigated.

    Keywords: Fiber-metal laminates, Lateral-Torsional Buckling, Thin-walled section, Tapered beam, Differential quadrature method
  • Hamed Aminivida, Hassan Shokrollahi *, Reza Beigpour Page 14

    This paper presents an analytical and computational approach for investigating the behavior of a simply supported carbon nanotube-reinforced composite shell that has been exposed to temperature variations. The equations are solved using the Ritz energy system for the analytical solution and ABAQUS finite element software for numerical solution. The displacement field is the first-order shear deformation theory, and the linear equations were solved using the rule of mixture to determine the mechanical properties of carbon nanotube-reinforced composites. A uniform distribution of temperature with no heat flux in the shell and nanotubes in five distinct shapes classified as V, A, X, and O have been considered in this study. The support conditions are the same in all cases, but the temperature, thermal boundary conditions, and carbon nanotube volume function values vary. The findings are illustrated in a detailed manner in the form of diagrams, which perfectly demonstrate the differences between both of the carbon nanotube distribution material models. Validation of the results shows great compatibility in energy solution and finite element methods. The results show that increasing the volume function of the carbon nanotubes increases the stress values and thermal gradients, and on the other hand, reduces the displacement, and by increasing the temperature the number of stress increases.

    Keywords: Cylindrical shell, composite, Carbon Nanotube, Thermal Stress, Ritz method
  • Alireza Mollaei, Ghasem Azamirad * Page 15

    Plastic injection is one of the most important processes in plastic parts production. During this process, many defects can take place that affect products quality. This research focuses on decreasing one of these defects, called Blush. For this purpose, eight parameters with the probability of affecting the occurrence of this defect have been considered to be investigated. To study the effect or lack of effect, the extent, and the manner of effect of these parameters on the Blush defect, a Fractional factorial design of experiment with eight factors and two levels was performed. Then after finite element analysis in MoldFlow software and validation of analysis with experimental tests, the area of defect that occurred in each case was calculated by geometric methods. After ANOVA of the data, it was found that the parameters of runner diameter, holding pressure, flow rate, and melt temperature respectively, have the most significant effects on this defect. Then, for the four factors mentioned, an experimental design of Composite Cube Design was performed and after performing finite element analysis and analysis of variance on the data, it was found that all four parameters have a significant impact. It was also found that by increasing melt temperature, and holding pressure and reducing the runner diameter and flow rate to the optimal level, the area of blush defect will be reduced by 82.2%.

    Keywords: FEA, plastic injection molding, optimization, Blush defect, ANOVA