فهرست مطالب

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و چهارم شماره 8 (آبان 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/08/01
  • تعداد عناوین: 12
|
  • علی حیدری، محمد ضابطیان طرقی*، سروش ضیایی، رضا نصرتی، ایمان حلوایی صفحات 1719-1735

    در این پژوهش حرکت میکروشناگر در یک سیال نیوتنی تراکم ناپذیر با استفاده از روش المان محدود در حالات دو و سه بعدی بررسی شده است. حرکت موجی شکل در دم میکروشناگر باعث ایجاد نیروهای هیدرودینامیکی درون سیال می شود و نیروی عکس العمل آن، باعث به جلو راندن میکروشناگر می شود. برای بررسی این موضوع، معادله ناویر-استوکس با قانون نیوتن جفت شده و در ناحیه محاسباتی حل شده است. در قسمت اول این پژوهش، تاثیر پارامترهای هندسی، همچون عرض کانال و پارامترهای موجی، همچون دامنه و طول موج، بر سرعت میکروشناگر بررسی شد. در میان نتایج بدست آمده، رابطه بین طول موج و سرعت میکروشناگر مورد توجه قرار گرفت. نشان داده شد که روند تغییرات سرعت در حالت دوبعدی قابل پیش بینی نبوده و ارتفاع کانال شدیدا بر این رابطه تاثیر می گذارد. در قسمت دوم این مطالعه، با استفاده از مدل گسترش داده شده به بررسی پدیده شنای هماهنگ در دو حالت دو و سه بعدی پرداخته و نشان داده شد که میانگین سرعت شنا در حالت پهلو به پهلوی دو بعدی، پهلو به پهلوی سه بعدی و بالا-پایین سه بعدی، به ترتیب 12 درصد افزایش، 10 درصد کاهش و 7 درصد افزایش می یابد. در انتها نیز با بررسی توزیع فشار در دامنه محاسباتی و اطراف میکروشناگران می توان به این نتیجه رسید که دوقطبی های ایجاد شده ناشی از ضربه دم میکروشناگران و جهت قرارگیری آن ها علت افزایش و یا کاهش میانگین سرعت شنا است.

    کلیدواژگان: میکروشناگران، اسپرم، نیرو های هیدرودینامیکی، شنای هماهنگ، موج
  • مسعود عبداللهی نیا، علی غفاری*، شهرام آزادی صفحات 1737-1759

    انحراف به چپ در مسیرهای دوطرفه، از شرایط حساسی است که می تواند سبب برخورد شدید خودروها از روبرو شود. بدلیل تلفات زیاد این تصادفات، ارائه ی سیستم های هوشمند هدایت خودرو در چنین شرایطی ضرورت دارد و مورد توجه نبوده است. مقاله ی حاضر، به طراحی مسیر ایمن و مانورپذیر عدم برخورد با خودروی منحرفی از مسیر روبرو می پردازد. رویکرد اصلی، استفاده از کنترل پیش بین با افق 2 ثانیه و مدل پیش بین خطی است که حول شرایط کاری، تطابق خوبی با رفتار غیرخطی دارد. برای پیش بینی حرکت خودروی مهاجم، رویکردی محافظه کارانه مدنظر است و حرکت تا افق 0/7 ثانیه، با شتاب جانبی بالایی در دو جهت مدل می شود. برای عدم برخورد خودروها، روش نوینی براساس فضاهای اشغالی آینده ی خودروی مهاجم ارائه شده، قیدهای اجتناب از برخورد بسادگی مدل سازی می شوند. هم چنین برای تشخیص جهت مناسب مانور اجتنابی، الگوریتمی نوآورانه ارائه شده که در تقابل دور و نزدیک خودروها، معیارهای مختلفی دارد. مجموعه ی نهایی، با کنترل فرمان پذیری مدل پیش بین، مسیر مرجع ایمن خودرو را با شتاب جانبی مقید تولید می کند. ارزیابی مجموعه ی نهایی با چهار شبیه سازی صورت می گیرد که تقابل دور و نزدیک و شرایط بحرانی انتخاب جهت را مدل می کنند. نتایج، واکنش مناسب الگوریتم را به تغییر جهت های ناگهانی و شدید خودروی مهاجم نشان می دهد.

    کلیدواژگان: انحراف به چپ، اجتناب از برخورد، طراحی مسیر، کنترل پیش بین، بهینه سازی مقید
  • محمد امین فرقانی، یوسف بازرگان لاری*، پرهام زاهدی نژاد، محمدجواد کاظم زاده پارسی صفحات 1761-1787

    این مقاله تحلیل ارتعاشات دامنه بزرگ تیرهای متخلخل مدرج هدفمند دو جهته در شرایط مرزی مختلف را با استفاده از نظریه تغییر شکل برشی مرتبه سوم و تانسور گرین و غیر خطی بودن هندسی ون کارمن بررسی می کند. خواص مواد این تیرها با توجه به قانون توانی و نمایی در دو جهت تغییر می کند. معادلات حرکت و شرایط مرزی مرتبط با استفاده از اصل همیلتون به دست آمده است. برای حل سیستم معادلات، روش ترکیبی مربعات دیفرانسیلی تعمیم یافته همراه با یک روش تکرار عددی مستقیم ایجاد شده است. پس از اثبات همگرایی این روش، از نتایج استخراج شده از یک مطالعه قبلی بر اساس نظریه برشی تیموشنکو برای اعتبار سنجی نتایج استفاده می شود. سپس تاثیر شاخص های گرادیان مواد در دو جهت، نسبت دامنه فرکانس، ضریب تخلخل، اثر باریک شوندگی مقطع، پارامترهای بستر برشی و الاستیک و شرایط مرزی مختلف بر فرکانس های دامنه بزرگ تیرهای مدرج هدفمند مورد بررسی قرار می گیرد. نتایج نشان می دهد که رفتار فرکانس های غیر خطی بی بعد با افزایش ضرایب بستر و ضریب باریک شوندگی افزایش یافته و افزایش در ضریب تخلخل و گرادیان ماده در دو جهت، سبب کاهش در فرکانس های غیر خطی می شود، این نتایج در طراحی بهینه تیرهای دو جهته تاثیر گذار بوده و در روش های پیش بینی و کشف مودهای شکست این تیرها بسیار موثر است.

    کلیدواژگان: ارتعاشات دامنه بزرگ، تیر مدرج هدفمند دوجهته، تخلخل، مقطع باریک شونده، تئوری برشی مرتبه سوم
  • المیرا مجاور زرگر، مجید ساده دل*، محمدرضا کرفی صفحات 1789-1802
    امروزه استفاده از میکروربات های مغناطیسی به دلیل حداقل تهاجمی بودن آن ها، در کاربردهای پزشکی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. یکی از چالش های این میکروربات ها، کنترل خودکار آن ها در بدن موجود زنده جهت رسیدن به هدفی مشخص می باشد. با توجه به کوچک بودن اندازه میکروربات، موقعیت و جهت آن با استفاده از میدان مغناطیسی خارجی کنترل می شود که این میدان مغناطیسی به وسیله آهنربای دائم و یا آهنربای الکتریکی ایجاد می شود. یکی از مزیت های استفاده از آهنربای الکتریکی جهت ایجاد میدان مغناطیسی خارجی، امکان کنترل جهت و اندازه میدان مغناطیسی، توسط کنترل جریان الکتریکی است. در این مقاله میکروربات به صورت یک دو قطبی مغناطیسی نقطه ای در نظر گرفته شده است که با استفاده از قوانین ماکسول نیرو و گشتاور وارد بر دو قطبی برحسب جریان هر یک از آهنربای الکتریکی بدست آمده است. همچنین الگوریتمی، جهت مسیریابی ربات در محیطی با موانع نامشخص بدون محاسبه کردن مسیر از پیش تعیین شده، پیشنهاد شده است. علاوه بر این، صحت روابط بدست آمده و الگوریتم طراحی شده از طریق شبیه سازی حرکت ربات در نرم افزار متلب مورد بررسی قرار گرفته شده است که کارایی استفاده از سه آهنربای الکتریکی برای کنترل موقعیت میکروربات مغناطیسی در حرکت صفحه ای را تایید می کند.
    کلیدواژگان: میکروربات، تحریک مغناطیسی، میدان مغناطیسی، الگوریتم جهت یابی
  • محمد حسینی*، افشین حسینی، رضا بهاءالدینی صفحات 1803-1832
    در این پژوهش، به تحلیل ارتعاشات و پایداری میکرولوله های حامل سیال تحت تاثیر میدان های مغناطیسی، الکتریکی و حرارتی با استفاده از تئوری های کلاسیک، تنش کوپل اصلاح شده و گرادیان کرنش اصلاح شده پرداخته شده است. برای مدل سازی لوله از تئوری تیر اویلر-برنولی با شرایط مرزی مختلف اعم از یکسرگیردار-یکسرپین، دوسرگیردار و دوسرپین استفاده شده است. معادلات دیفرانسیل حاکم بر ارتعاشات میکرو لوله حامل سیال از روش توسعه یافته ی همیلتون استخراج شده و از روش توسعه یافته ی گالرکین جهت تبدیل معادلات با مشتقات جزئی به معادلات با مشتقات معمولی استفاده شده است. با تحلیل فرکانسی مسئله، به بررسی پارامترهای وابسته به اندازه، میدان های مغناطیسی، الکتریکی و حرارتی، شرایط مرزی مختلف بر روی مقادیر ویژه و سرعت بحرانی سیال پرداخته شده است. نتایج به دست آماده برای هر سه تئوری با یکدیگر مقایسه شده اند که نشان دادند، تئوری گرادیان کرنش اصلاح شده نسبت به تئوری تنش-کوپل اصلاح شده و تئوری کلاسیک، فرکانس های طبیعی و سرعت سیال بحرانی بیشتری پیش بینی می کند. تاثیرات میدان های مغناطیسی، الکتریکی و حرارتی به همراه شرایط مرزی مختلف بر روی مقادیر ویژه و سرعت سیال بحرانی مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج نشان دادند که پایداری مسئله با افزایش ضریب میدان مغناطیسی افزایش می یابد ولی با افزایش ضریب میدان های الکتریکی و حرارتی، کاهش می یابد.
    کلیدواژگان: ارتعاشات، میکرولوله ی حامل سیال، ماده مگنتو-الکترو- الاستیک، گرادیان کرنش
  • مهدی زکی زاده، علی جمالی، منصور رفیعیان*، حمید سعیدی، علی چائی بخش صفحات 1833-1849

    آنالیز ارتعاشات از کاربردی ترین روش های پایش وضعیت و عیب یابی تجهیزات دوار است . در این تحقیق با استفاده از آنالایزر ارتعاشات و الگوریتم ماشین بردار پشتیبان روشی جهت پایش وضعیت و عیب یابی بلوئر لکوموتیوهای آلستوم ارائه شده است. جهت انجام این تحقیق ابتدا از بلوئرها داده برداری ارتعاشی شده و سیگنال های دریافتی در چهار گروه بلوئرهای سالم و با عیوب نابالانسی، لقی پایه و تاب پره دسته بندی شدند. سپس از سیگنال های دریافتی تعداد 16 ویژگی فرکانسی و زمانی استخراج شدند. در سیستم های دوار توجه به نسبت شدت ارتعاشات در هارمونیک های دور تجهیز، می تواند به فرایند تشخیص عیب کمک کند، بنابراین نسبت تمام ویژگی ها به هم محاسبه و به عنوان ویژگی های جدید تعریف شدند. تعداد زیاد ویژگی در بعضی مواقع باعث پایین آمدن دقت شبکه می شود ، به همین دلیل داخل الگوریتم ماشین بردار پشتیبان یک فیلتر آزمون تی، جهت انتخاب ویژگی، قرار داده شد. نتایج به دست آمده نشان می دهد، فیلتر آزمون تی باعث افزایش دقت طبقه بندی الگوریتم ماشین بردار پشتیبان می شود. در انتها عملکرد انتخاب ویژگی این شبکه با انتخاب ویژگی توسط الگوریتم ژنتیک مقایسه شده که نتایج نشان می دهد در طبقه بندی عیوب بلوئر، شبکه ی طراحی شده در این تحقیق عملکرد بهتری در انتخاب ویژگی نسبت به الگوریتم ژنتیک دارد.

    کلیدواژگان: آنالیز ارتعاشات، پردازش سیگنال، ماشین بردار پشتیبان، آزمون تی، بلوئر
  • افشین تفضلی، مسعود عسگری*، آیدین غزنوی اسگوئی صفحات 1851-1866
    ایمنی غیرعامل مهم ترین بخش محافظت از جان سرنشینان در تصادفات و برخوردها در موضوع ایمنی خودروهاست. جعبه تصادف یکی از اساسی ترین بخش های ایمنی غیرعامل در خودرو است و انتظار بر این است که توانایی جذب انرژی جنبشی در تصادفات طولی را داشته باشد تا بتواند در محدوده ای ایمن، آسیب به سرنشینان را به حداقل برساند. با وجود به کارگیری انواع اشکال هندسی و مواد در ساخت جعبه تصادف، سازه های مخروطی و آلومینیوم توجه های بسیاری را به خود جلب کرده اند. در این پژوهش سازه های مخروطی آلومینیومی و آلومینیوم-کامپوزیت تحت بارگذاری شبه استاتیک در آزمایش تجربی و شبیه سازی عددی بررسی شد که نتایج حاکی از افزایش تا سه برابری جذب انرژی ویژه، نیروی حداکثر و نیروی میانگین سازه های آلومینیومی با به کارگیری الیاف شیشه- اپوکسی در تقویت سازه آلومینیومی بود. الیاف شیشه- اپوکسی علاوه بر خواص مکانیکی خود به دلیل زوایای لایه چینی 0 و 90 توانستند عملکردی عالی در پوشش نقایص ساخت سازه آلومینیومی و راهنمایی مقطع به مقطع تخریب از خود نشان دهند.
    کلیدواژگان: جذب انرژی، جعبه تصادف، سازه های مخروطی ناقص، آلومینیوم-کامپوزیت، چند لایه فلز-کامپوزیت
  • حسن سیار، رامین ملاحمزه زاده، محمد حسین کرانی، محمد آزادی* صفحات 1867-1893

    در این مطالعه، یک پژوهش با شبیه سازی عددی استوانه جدار ضخیم با بارگذاری چرخه ای حرارتی- مکانیکی انجام شده است. شرایط مرزی اعمال شده مشابه لوله سلاح در هنگام شلیک مداوم است. چهار شرط تنشی در دمای 25-950 درجه سانتیگراد و فشار 100-350 مگاپاسکال در طول چرخه بارگذاری مورد بررسی قرار گرفته است. شرایط عبارتند از اول بارگذاری حرارتی- مکانیکی بدون اتوفرتاژ و بدون ترک، دوم حرارتی- مکانیکی با اتوفرتاژ بدون ترک، سوم بارگذاری حرارتی- مکانیکی در لوله دارای ترک بدون اتوفرتاژ با افزایش طول ترک و چهارم بارگذاری حرارتی- مکانیکی در لوله اتوفرتاژ شده دارای ترک با افزایش طول ترک. مقایسه نتایج حاصل از مدل های شبیه سازی لوله اتوفرتاژ شده و بدون اتوفرتاژ دارای اطلاعاتی در مورد گسترش کرنش ها و تنش ها در لوله است. مواد مورد مطالعه در لوله، فولاد ST50 و کامپوزیت زمینه فلزی SiC/Ti-24Al-11Nb در سه نسبت قطر 25، 50 و 75 درصد به یکدیگر است. گرایش کلی بارگذاری در لوله اتوفرتاژ شده منجر به اثر نرم شدن سطح لوله می شود. این پدیده به عنوان کاهش سختی سطح داخلی لوله مشاهده می شود. همچنین حداکثر تنش ناشی از چرخه ترمومکانیکی تا عمق 9 میلی متر برای لوله با طراحی ترکیبی وجود دارد و پس از آن تغییرات حداقلی است. این عمق فعال برای شروع ترک است.

    کلیدواژگان: استوانه جدار ضخیم، اتوفرتاژ، کامپوزیت زمینه فلزی، شبیه سازی عددی، ترک
  • علیرضا آلبویه*، شهرام امیرعبدالهیان، نیما فتاحی صفحات 1895-1916
    در پژوهش حاضر به بررسی رفتار مخازن گاز طبیعی فشرده نوع اول تا چهارم خودروها تحت اثر فشار داخلی و بار انفجاری خارجی در نرم افزار اجزای محدود آباکوس پرداخته شد. ابتدا، به منظور اطمینان از عدم گسیختگی این مخازن تحت فشار داخلی، فشارهیدرواستاتیک 200 بار به آن ها اعمال شد و میزان شاخص شکست این مخازن با استفاده از معیار سای - هیل مورد بررسی قرار گرفت. سپس، جهت ارزیابی رفتار مخازن تحت بار انفجاری خارجی، مدل کانوپ مورد استفاده قرار گرفت. برای این منظور، از ماده تری نیتروتولوئن در دو نقطه انفجاری (نزدیک و دور) و سه مقدار خرج انفجار مختلف استفاده شد. در شبیه سازی انفجار، مقدار آسیب وارد به ناحیه فلزی و کامپوزیتی مخازن به ترتیب با استفاده از معیار جانسون - کوک و هاشین مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می دهد، مخزن نوع چهارم نسبت به مخازن دیگر بیشترین استحکام در برابر فشار هیدرواستاتیکی داخلی را دارد و می تواند تا فشار 610 بار را تحمل کند. بعلاوه، مخزن نوع سوم بالاترین ایمنی را در مقابل موج انفجار خارجی دارد. مقایسه نتایج مربوط به مخازن کامپوزیتی نوع دوم تا چهارم نشان می دهد، وجود آستر فولادی در زیر لایه کامپوزیتی تاثیر بسزایی در استحکام مخزن در مقابل ضربه یا انفجار دارد. از نتایج مهم دیگر بدست آمده این است که مخزن نوع اول علیرغم وزن بالا مقاومت خوبی در مقابل فشار داخلی و همچنین موج انفجار دارد.
    کلیدواژگان: مخزن گاز طبیعی فشرده، مخزن کامپوزیتی، انفجار، معیار شکست جانسون - کوک، معیار شکست هاشین
  • امیررضا استادی، سیدمهدی گنجیانی* صفحات 1917-1932
    تعیین مشخصات پایدار رفتار ماده تحت تاثیرات تنش و دما به منظور طراحی مطلوب و همچنین بهینه سازی پارامترهای فرآیند ساخت در صنعت فرم دهی فلزات به طرز قابل توجهی مهم و حیاتی است. هدف این پژوهش ارائه یک روش نوین اندازه گیری کرنش شکست قطعات برشی و ناچ دار در سه محوره های مختلف تنش با استفاده از دستگاه اندازه گیری وی ام ام می باشد. همچنین تاثیرات افزایش دما بر کرنش شکست نیز بررسی شده است. ماده مورد بررسی آلومینیوم 5083-اچ 321 می باشد. برای این منظور بیست و چهار نمونه مختلف تخت از جمله نمونه های برشی و ناچ دار برای چهار نوع سه محوره ی 2/0 و 33/0 و 38/0 و 55/0 جهت تست در سه محدوده دمایی (25، 200 و 400 درجه سانتیگراد) آماده سازی شدند و تحت شرایط بارگذاری استاتیکی مورد آزمایش قرار گرفته اند. کرنش شکست نمونه ها اندازه گیری و نتایج مرتبط بدست آمدند. نتایج بدست آمده با نتایج تجربی دیگران و همچنین نتایج شبیه سازی شده با استفاده از مدل رایس و تریسی مقایسه شدند. همچنین با انجام آزمایش های جدیدی که در این مقاله انجام شده است، نقطه قطع شدن منحنی در سه محوره 2/0 بدست آمده است. با بررسی نتایج مشاهده می شود در دمای پایین (°C25)، با افزایش سه محوره تنش، کرنش شکست روندی کاهشی دارد، در حالی که در دمای °C200 این روند تقریبا ثابت و یکنواخت است ولی در دمای °C400 این روند افزایشی است.
    کلیدواژگان: سه محوره تنش، دما، کرنش شکست، اجزا محدود، روش وی ام ام
  • سید شرف الدین حسینی*، علی شهرجردی صفحات 1933-1944
    یکی از بحران های امروز قطع درختان برای تولید مصنوعات چوبی است که اثر مخربی بر محیط زیست و آب و هوای زمین داشته و تلاش برای یافتن محصول جایگزین ضروری و مهم به نظر می رسد. کاهش منابع چوبی طبیعی، در کنار افزایش میزان نیاز به مصنوعات چوبی، تلاش برای تولید کامپوزیت های بازیافتی جایگزین چوب درختان را ضروری تر نموده است. با توجه به اینکه ساختار پوست سخت میوه گردو و پسته در حالت عادی فقط  قابلیت خرد و پودر شدن دارند، لذا می توان از آنها در تهیه نئوپان استفاده نمود. در این تحقیق آزمایشگاهی با استفاده از دورریز چوب سخت میوه گردو و پسته نمونه های کامپوزیتی مرکب از خانواده نئوپان ساخته شد و به بررسی خواص فیزیکی آنها پرداخته شده است. نتایج تحقیق نشان داد که کامپوزیت های ساخته شده نسبت به نئوپان معمولی چگالی بیشتری داشته و با وجود هدایت حرارتی کمی بالاتر، مقاومت بهتری در برابر آتش گیری دارند و زمان آتش گیری برای نمونه پوست سخت میوه گردو و همچنین گردو/پسته به ترتیب 69% و 84% نسبت به نئوپان معمولی بیشتر بوده است. کامپوزیت های ساخته شده بخاطر ساختار تکه ای سطح برش ناصاف تری داشته و در برابر خمش رفتار جسم ترد و شکننده را از خود نشان دادند. رفتار الکتریکی کامپوزیت های ساخته شده تفاوت قابل توجهی با نئوپان معمولی نداشته است.
    کلیدواژگان: چوب گردو، چوب پسته، کامپوزیت چوبی، چوب بازیافتی، کامپوزیت بازیافتی
  • فرشاد جعفری ویدوجی، اسلام رنجبرنوده*، سید احسان میرصالحی صفحات 1945-1967

    راه های مختلفی برای کاهش اعوجاج ناشی از جوشکاری وجود دارد که یکی از آن ها استفاده از روش جدیدی به نام منبع سرد کننده دنباله رو است. در این پژوهش به بررسی تاثیر منبع سردکننده دنباله رو بر کاهش اعوجاج ناشی از جوشکاری پرداخته شده است. در این بررسی، ابتدا آلیاژ آلومینیوم کار شده 3105 به ضخامت 2 میلیمتر، با روش جوشکاری قوسی تنگستن - گاز محافظ بدون منبع سرد کننده دنباله رو، جوشکاری شد. در گام بعد، یک منبع سردکننده از گاز آرگون برای سردکردن سریع خط جوش تعبیه و مورداستفاده قرار گرفت. سپس انتقال حرارت و تنش های حرارتی ناشی از جوشکاری با استفاده از روش المان محدود سه بعدی با و بدون درنظرگرفتن تاثیر منبع سردکننده اعمال شده شبیه سازی شد. در مرحله بعد تاثیر قطر و دبی گاز سردکننده بر توزیع دما و اعوجاج ناشی از جوشکاری، تحلیل شد. مشخص شد که استفاده از منبع سردکننده دنباله رو سبب با ایجاد تنش های کششی، کرنش های پلاستیکی کششی ایجاد کرده و کرنش های فشاری منطقه تحت گرمایش را جبران می‏نمایند. منبع سرد کننده دنباله رو مقدار اعوجاج ناشی از جوشکاری را حدود 30 درصد کاهش داد و باعث افزایش سختی در منطقه متاثر از حرارت به مقدار 10% شد.

    کلیدواژگان: روش اجزاء محدود، منبع سردکننده دنباله رو، اعوجاج، آلومینیم 3105
|
  • Ali Heydari, Mohammad Zabetian Targhi *, Soroush Zeaei, Reza Nosrati, Iman Halvaei Pages 1719-1735

    This research investigates the motion of microorganisms in an incompressible Newtonian fluid using the finite element method in 2D and 3D. The undulating motion generated inside a microswimmer's tail creates hydrodynamic forces within the fluid, which its reaction force propels the microswimmer forward. The Navier-Stokes equation is coupled to Newton's law and solved in the computational domain to simulate the microswimmer's motion. In the first part of this study, the effect of geometric parameters (channel width) and wave parameters (wave amplitude and wavelength) on the swimmer's velocity was investigated. The obtained results indicated that the trend of velocity changes in 2D is not predictable, and the channel height affects this relationship significantly. In the second part of this study, the synchronized swimming phenomenon in 2D and 3D was investigated using the developed model. The results showed that the average swimming velocity in 2D side-by-side, 3D side-by-side, and 3D top-bottom configurations increases by 12%, decreases by 10%, and increases by 7%, respectively. Finally, by examining the pressure distribution in the computational domain, it can be concluded that the force dipoles created by the microswimmers' undulating tails, and their position, are the reason behind the increase or decrease of the average swimming velocity.

    Keywords: Microswimmers, Sperm, Hydrodynamic Forces, Synchronized Swimming, Wave
  • Masoud Abdollahi Nia, Ali Ghaffari *, Shahram Azadi Pages 1737-1759

    Due to the high fatalities of head-on accidents, the design of intelligent systems to prevent such severe collisions is essential. In this study, path planning for head-on collision avoidance with a deviated vehicle from the opposite lane has been investigated. The main approach is based on a model predictive controller with 2 seconds of prediction horizon and a linearized prediction model with low errors near the operational conditions. A conservative method is used for lateral motion prediction of the deviated vehicle and based on that, the collision avoidance constraints of the model predictive planner are simply modeled by a new approach. Moreover, a novel method to choose the proper swerve direction of evasive maneuver is proposed. This method is based on keeping the ego vehicle away from dangerous directions and has different criteria for far and close encounters. The final algorithm is capable to control the steering of the prediction model with a constrained lateral acceleration and calculates safe and maneuverable paths for the aforementioned scenario. Four simulations are conducted to validate the algorithm in far and close encountering, and critical conditions of choosing swerve direction. Results show the robustness of the path planner, even to sudden deviations at close distances and with high lateral accelerations.

    Keywords: Head-On Collision Avoidance, Path Planning, Model Predictive Control, Constrained Optimization
  • Mohammadamin Forghani, Yousef Bazargan Lari *, Parham Zahedinejhad, Kazemzadeh-Parsi Mohammad-Javad Pages 1761-1787

    This Paper deals with the large amplitude frequency behavior of porous bi-directional functionally graded beams subjected to various boundary conditions which are simply supported, clamped-simply supported, clamped-clamped, and clamped-free utilizing Reddy third-order shear deformation theory and Green’s tensor together with the Von Karman geometric nonlinearity. The material properties of the beam change according to power and exponential law in both directions. The equations of motion and associated boundary conditions are derived by means of Hamilton’s principle. A generalized differential quadrature method in conjunction with a direct numerical iteration method is selected to solve the system of equations. Demonstrating the convergence of this method, the verification is performed by using extracted results from a previous study based on the Timoshenko beam theory. The results of extensive studies are provided to understand the influences of the different gradient indexes, vibration amplitude ratio, porosity coefficient, Tapered ratio, shear and elastic foundation parameters, and boundary conditions on the Large amplitude vibration frequencies of the bi-directional functionally graded beams. The results reveal that non-linear frequencies increase with the rise of elastic foundation and tapered coefficients and the soar of porosities and material gradients in two directions causes a sharp decrease in non-dimensional frequencies. The results of this study, while carefully examining the frequencies of variable cross-sectional functionally graded beams, are effective in the optimal design of bi-directional beams and are very effective in predicting and detecting failure modes of these beams.

    Keywords: Large-Amplitude Vibration, Bi-Directional Functionally Graded Beam, Porous, Variable Cross Section, Third Order Shear Deformation Theory
  • Elmira Mojaver Zargar, Majid Sadedel *, Mohammad Reza Karafi Pages 1789-1802
    Recently, magnetic microrobots have attracted much attention in biomedical applications due to their minimally invasive features. One of the challenges in this field is about in-vivo autonomous control of microrobots to reach a predefined target. In concern to the submillimeter size of the microrobots, their position and orientation are controlled by an external magnetic field which is generated by permanent magnets or electromagnets. One of the advantages of using electromagnets to produce an external magnetic field is the ability to control the magnitude and orientation of the magnetic field by manipulating the electrical current of each electromagnet. In this study, by using Maxwell’s equations and considering the microrobot as a point dipole, the exerted force and torque relations are driven as a function of electromagnets’ electrical current. Moreover, a navigation algorithm is proposed to guide the robot through unknown obstacles without planning the whole path. Furthermore, the driven equations and designed algorithms are validated by simulating the microrobot’s motion using MATLAB software, which confirms the effectiveness of using three electromagnets to control an electromagnet microrobot’s planer motion.
    Keywords: Microrobot, Magnetic Actuation, Magnetic Field, Navigation Algorithm
  • Mohammad Hosseini *, Afshin Hosseini, Reza Bahaadini Pages 1803-1832
    In this study, vibration and stability analysis of micro-pipes conveying fluid under magnetic, electric, and thermal fields using classical, modified coupled stress, and modified strain gradient theories are presented. The Euler-Bernoulli beam theory with clamped-pinned, clamped-clamped, and pinned-pinned boundary conditions is used for modeling the pipe. The differential equations governing the vibration of conveying fluid micro-pipe are derived through extended Hamilton’s method. Additionally, the extended Galerkin’s method is used to convert the governing partial differential equations into ordinary differential equations. The effects of size, boundary conditions, magnetic field, electric field, and thermal field on eigenvalues and critical velocity are investigated. The results indicated that the strain gradient theory predicts the highest natural frequencies and critical fluid velocities among the other two theories. The effects of magnetic, electric, and thermal fields along with different boundary conditions on eigenvalues and critical fluid velocity have been studied. It has also been concluded that the impact of these fields on the stability regions is different for different boundary conditions. Furthermore, the results showed that the stability of the micro-pipes increases with the increase of the magnetic field coefficient, but decreases with the increase of the coefficient of electric and thermal fields.
    Keywords: Vibration, Micro-Pipe Conveying Fluid, Magneto-Electro-Elastic Material, Modified Strain Gradient Theory
  • Mahdi Zakizadeh, Ali Jamali, Mansoor Rafeeyan *, Hamid Saeedi, Ali Chaibakhsh Pages 1833-1849

    Vibration analysis is one of the most practical methods for monitoring and troubleshooting rotating equipment. In this research, vibration analysis and support vector machine algorithms were used for monitoring and troubleshooting Alstom locomotive blowers. First, vibration data were collected from the blowers and the received signals were categorized into four groups: healthy blowers and blowers with problems of unbalance, loose shaft (base), and warped blades. Sixteen frequency and time features were then extracted from the received signals. Because in rotating systems, the ratio of the intensity of vibrations in the harmonics of the rotation of the machine can help diagnose the faults, the ratios of all features were calculated and defined as new features. The accuracy of the network can be sometimes lowered by the multitude of features, thus, a t-test filter was inserted into the support vector machine algorithm to select the features. The results show that the t-test filter increased the accuracy of the support vector machine algorithm. Finally, the feature selection of this network was compared with the feature selection by the genetic algorithm. The results show that the network designed in this research has a better performance in feature selection than the genetic algorithm.

    Keywords: Vibration Analysis, Signal Processing, Support Vector Machine, T Test, Blower
  • Afshin Tafazoli, Masood Asgari *, Aidin Ghaznavi Pages 1851-1866
    Passive safety is the most important part of protecting the lives of occupants in accidents and collisions when it comes to vehicle safety. The crash box is one of the most basic passive safety components in the vehicle and is expected to be able to absorb kinetic energy in longitudinal crashes in order to minimize occupant injury in safe areas. Despite the use of a variety of geometric shapes and materials in the construction of crash boxes, conical structures and aluminum have attracted much attention. In this study, aluminum and aluminum-composite conical structures were investigated. Under quasi-static loading, experimental experiments and numerical simulations showed that the addition of composite to aluminum structures could triple the specific energy absorption of the structure on average. And the use of 0 and 90 directions of glass-epoxy fibers advances the process of structural destruction step by step and cross-sectional. The result is that the folds are regular and close together, which has positive effects on specific energy absorption, mean force, and stroke efficiency of the structure.
    Keywords: Energy Absorption, Crash Box, Conical Frustum Structures, Aluminum-Composite, FML Cone Energy Absorption
  • Hassan Sayar, Ramin Molahamzezadeh, Mohammad Hossein Korani, Mohammad Azadi * Pages 1867-1893

    The goal of this study is to analyze the interplay of mechanical and thermal properties and the applied thermomechanical cyclic load combined with the fatigue crack numerical simulation of a thick cylinder. The applied boundary conditions are similar to the working gun barrel during continuous firing. Four stress conditions in 25-950°C and 100-400 MPa pressure has been investigated. Conditions include first, without autofrettage and cracking; second, with autofrettage and without cracking; third, without autofrettage and with cracking; and fourth with autofrettage and with cracking has been investigated. A comparison of the results obtained from simulated models of the autofrettaged and non-autofrettaged barrels has information about the evolution of strains and stresses in the barrel at different points under thermo-mechanical loading cycles in both cases. The materials in the barrel were ST50 steel and SiC/Ti-24Al-11Nb metal matrix composite in three different diameter ratios. The results showed that autofrettage softened the inner surface of the barrel. This phenomenon was seen as a decrease in the hardness of the inner surface of the barrel. The maximum stress of thermomechanical cyclic loading there was until 9 mm of depth. This depth is the active length of crack propagation.

    Keywords: Thick-Walled Cylinder, Autofrettage, Metal-Matrix Composite, Numerical Simulation, Crack
  • Alireza Albooyeh *, Shahram Amirabdollahian, Nima Fatahi Pages 1895-1916
    In the current research, the behavior of the first to fourth types of compressed natural gas tanks of the vehicle under internal pressure and the external explosive load was investigated in the ABAQUS finite element software. At first, the hydrostatic pressure of about 200 bar was applied to ensure that these tanks do not fail under internal pressure, and the failure index of these tanks was evaluated using the Tsai-Hill criterion. Then, the CONWEP model was used to investigate the behavior of tanks under external explosive load. For this purpose, Trinitrotoluene material was applied in two explosion points (near and far) and three different explosion charge values. In the explosion simulation, the amount of damage to the metal and composite parts of the tanks was evaluated using the Johnson-Cook and Hashin criteria, respectively. The results of this research show that the fourth type of tank has the highest strength against internal hydrostatic pressure compared to other tanks and can withstand up to 610 bar pressure. In addition, the third type of tank has the highest safety against external explosion waves. A comparison of the results related to the second to fourth type composite tanks shows that the presence of steel liner under the composite layer has a significant effect on the strength of the tank against impact or explosion. Another important result obtained is that the first type of tank despite the high weight has good resistance to internal pressure as well as an explosive wave.
    Keywords: Compressed Natural Gas Tanks, Composite Tanks, Explosion, Johnson-Cook Failure Criterion, Hashin Failure Criterion
  • Amirreza Ostadi, Seyed Mahdi Ganjiani * Pages 1917-1932
    Determining stable characteristics of material behavior under the effects of stress and temperature on the material is significantly important for optimal design. The aim of this study is to present a new method for measuring the fracture strain of shear and tensile parts in different stress triaxialities with the effect of temperature, using a Video Measuring Machine measuring device. Aluminum 5083-H321 is used in this study. For this purpose, twenty-four different samples including shear and tensile samples for four types of triaxialities 0.2, 0.33, 0.38, and 0.55 were prepared for testing in the temperature ranges (25, 200, and 400°C). The samples are tested under monotonic (static) loading conditions. The fracture strains are measured. The stress triaxialities are calculated in the finite element simulation. The obtained results are compared with the other experimental results and also with the numerical results of the Rice and Tracy model. A good agreement is found between these results which validates the new proposed technic for measuring the shear fracture stain. Based on the results, the curve of fracture strain versus stress triaxiality has a decreasing trend at 25°C, while this curve is almost constant at 200°C and has an increasing trend at 400°C.
    Keywords: Stress Triaxiality, Temperature, Fracture Strain, Finite Element Simulation, Video Measuring Method
  • Seyed Sharafoddin Hosseini *, Ali Shahrjerdi Pages 1933-1944
    One of the main concerns of the environmental activists is felling the trees to produce wooden accessories. This action has a detrimental effect on the environment and the earth's climate, and efforts to find an alternative product seem essential. Due to the reduction of natural wood resources, along with the increase in demand for wood products, it is essential to produce recycled composites that replace wood. Since the skin structure of walnuts and pistachios can only be crushed and pulverized, they can be employed to prepare chipboard. In this experimental research, composite samples composed of the chipboard family were made using walnut and pistachio hardwood, and their physical properties were investigated. The obtained results revealed that the composites made are denser than ordinary chipboard. Despite the fact that such composites are slightly higher thermal conductivity, they have better fire resistance. The firing time for hard skin samples of walnut fruit and walnut/pistachio was 69% and 84% longer than ordinary chipboard. Due to the piece structure, the composites had a smoother cutting surface and showed a Crisp and fragile body behavior against bending. The electrical behavior of the composites was not significantly different from that of ordinary chipboard.
    Keywords: Walnut Wood, Pistachio Wood, Wood Composite, Recycled Wood, Recycled Composite
  • Farshad Jafari Vidoji, Eslam Ranjbarnodeh *, Seyyed Ehsan Mirsalehi Pages 1945-1967

    There are several ways to reduce the distortion caused by welding, one of which is to use a new method called a trailing heat sink. In this research, the effect of trailing heat sinks on the reduction of distortion caused by aluminum welding has been investigated. In this study, first, 2 mm thick wrought aluminum alloy 3105 was welded by tungsten-inert gas arc welding method without a trailing cooling source. In the next step, a cooling source of argon gas was installed and used to quickly cool the welding line. Then the heat transfer and thermal stresses caused by welding were simulated using the 3D finite element method with and without considering the effect of the applied cooling source. In the next step, the effects of the diameter and flow rate of cooling gas on temperature distribution and distortion caused by welding were analyzed. It was found that the use of a trailing cooling source creates tensile stresses, and tensile plastic strains and compensates for the compressive strains of the heated area. The trailing cooling source reduced the amount of distortion caused by welding by about 30% and increased the hardness in the heat-affected zone by 10%.

    Keywords: Finite Element Method, Trailing Heat Sink, Distortion, Aluminum 3105