فهرست مطالب

مهندسی مکانیک امیرکبیر - سال پنجاه و چهارم شماره 10 (دی 1401)

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و چهارم شماره 10 (دی 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/10/01
  • تعداد عناوین: 12
|
  • امید کوچکیان فرد، اکبر علی بیگلو* صفحات 2215-2238
    در این پژوهش، ارتعاشات وابسته به اندازه تیرهای نانومقیاس که به صورت هم زمان دارای حرکات طولی و چرخشی هستند، براساس تئوری غیرمحلی ارینگن تحلیل شده است. همچنین، برای اولین بار، یک مطالعه پارامتریک برای توضیح اثرات سطحی، مشخصات بسترهای ویسکوالاستیک-پاسترناک، ویژگی های هندسی، بارهای حرارتی، سطح مقطع های متقارن و نامتقارن، نیروهای محوری و پیرو بر دینامیک و پایداری سیستم بررسی شده است. ابتدا معادلات دینامیکی سیستم با به کارگیری اصل همیلتون استخراج می شوند. سپس با کمک روش گسسته سازی گالرکین، فرکانس های طبیعی سیستم تعیین می شوند. برای اطمینان از صحت مدل و روش حل ارائه شده، نتایج پژوهش حاضر با نتایج مقالات منتشرشده مقایسه و اعتبارسنجی شدند. نقشه های پایداری و دیاگرام کمپل به ازای شرایط مختلف کاری رسم شدند. نتایج نشان دادند که با افزایش مدول الاستیسیته و تنش پسماند سطحی، فرکانس های ارتعاشاتی و آستانه ناپایداری دینامیکی سیستم افزایش می یابند. همچنین، با افزایش ضخامت/طول سیستم، سرعت محوری ناپایداری استاتیکی کاهش/افزایش می یابد. ضمنا، مشاهده شده است که برعکس اثرات غیرمحلیت، با افزایش ضرایب الاستیک و برشی بستر عملکرد سیستم بهبود می یابد. نتایج تحقیق حاضر کمک قابل توجهی به طراحان و مهندسان در کنترل ارتعاشات نانوسازه های بایژیروسکوپیک خواهند کرد.
    کلیدواژگان: نانوتیر، حرکات طولی و چرخشی، فرکانس ارتعاشات، نانوربات جراح، اثرات سطحی
  • علی اصغر مهدی زاده سولا، مصطفی نظری*، حبیب احمدی، محسن نظری صفحات 2239-2254
    امروزه در زمینه تولید میکروقطرات تحقیقات زیادی صورت گرفته است، اما تعداد محدودی از آن ها به کنترل فعال اندازه قطره و تغییر آن به صورت برخط پرداخته اند. در این تحقیق، ابتدا یک میکروکانال با هندسه جریان متمرکز شونده با استفاده از روش فوتولیتوگرافی ساخته شده است. جهت تزریق سیالات در درون کانال، یک پمپ تزریق با استفاده از یک موتور جریان مستقیم با دور و گشتاور مناسب و ماژول طراحی و ساخته شده است. سیالات مورد استفاده در این تحقیق، آب دو بار تقطیر به عنوان فاز گسسته و روغن به عنوان فاز پیوسته است. همچنین برای کنترل خودکار این سیستم، یک بورد آردوینو مگا 2560 به عنوان سیستم پردازنده استفاده شده است. قطر قطرات به کمک یک میکروسکوپ دیجیتال سرعت بالا و پردازش تصویر آن با یک روش پر سرعت محاسبه می شود. برای کنترل اندازه قطرات از دوحلقه کنترلی استفاده شده است؛ در حلقه داخلی جهت غلبه بر نامعینی ها از روش کنترل مود لغزشی، و در حلقه خارجی از کنترل‎کننده تناسبی-انتگرالگیر-مشتق گیر استفاده شده است. نتایج به دست آمده برای سه قطر متفاوت 82، 90 و 100 میکرومتر نشان دهنده عملکرد مناسب کنترل‎کننده  طراحی شده است. عملکرد سیستم مدار بسته در هر حالت با ترسیم نمودار هیستوگرام ارزیابی شده است.
    کلیدواژگان: میکروسیال ها، میکروقطرات، پمپ تزریق، کنترل سایز قطرات، کنترل‎کننده مود لغزشی
  • علی سلطانی*، محمد حسین کمری صفحات 2255-2276
    امروزه استفاده از پهپادها برای انجام خودکار فعالیت هایی نظیر امور عمرانی، عملیات امداد و نجات و ماموریت های نظامی، با هدف افزایش سرعت و دقت، حفظ نیروی انسانی و کاهش هزینه ها در حال گسترش است. با توجه به این رویکرد، در این مقاله نیز با هدف استفاده از سیستم کوادروتور - آونگ معکوس کروی برای انجام عملیاتی نظیر رنگ آمیزی و نظافت در سقف های مرتفع، مساله ی کنترل هیبریدی موقعیت و نیرو برای یک پاندول معکوس کروی متصل به کوادروتور که حرکت آن در راستای قائم مقید شده است، مورد مطالعه قرار گرفته است. در این راستا، ابتدا با استفاده از قوانین نیوتن - اویلر، معادلات حرکت حاکم بر سیستم کوادروتور - آونگ معکوس در حالت مقید استخراج و سپس با ارائه ی مدلی برای نیروی مقید کننده، یک سیستم کنترلی سلسله مراتبی شامل حلقه ی کنترلی موقعیت - نیرو، حلقه ی کنترلی جهت گیری پاندول معکوس و حلقه ی کنترلی جهت گیری کوادروتور، ارائه شده است. قوانین کنترلی حلقه ی کنترلی جهت گیری پاندول معکوس و حلقه ی کنترلی جهت گیری کوادروتور، با استفاده از مفاهیم مطرح در کنترل هندسی طراحی شده اند. در نهایت، عملکرد کنترل کننده طراحی شده توسط شبیه سازی مورد بررسی قرار گرفته است.
    کلیدواژگان: کنترل هیبریدی، کوادروتور، پاندول معکوس کروی، کنترل سلسله مراتبی، کنترل هندسی
  • محمد مهدی نظری، عباس رهی*، روح اله سرافراز خباز صفحات 2277-2295

    یک محور کامپوزیتی دوار می تواند برای انتقال قدرت در صنایع مربوط به ماشین آلات دوار استفاده شود. در مقایسه با یک محور انتقال قدرت فلزی مرسوم، یک محور انتقال قدرت کامپوزیتی، معمولا دارای فرکانس های طبیعی و سرعت های بحرانی بالاتری است. در این مقاله ابتدا در حالت دوار، نتایج المان محدود یک محور کامپوزیتی 8 لایه کربن/ اپوکسی در حالت دو دیسک فولادی در وسط به صورت متقارن و قطرهای مختلف با نتایج پژوهش پیشین مقایسه شده و صحت نتایج تایید می شود. سپس یک محور کامپوزیتی تو خالی هیبریدی 8 لایه از جنس کربن/ اپوکسی و شیشه/ اپوکسی با دو دیسک فولادی که روی تکیه گاه های ارتجاعی قرار دارد، مدل سازی می گردد. با بکارگیری معادلات لاگرانژ، معادلات حرکت محور کامپوزیتی هیبریدی با استفاده از تئوری تیر مدول معادل اصلاح شده بدست می آیند. با کدنویسی در نرم افزار متلب و حل عددی، نمودار دامنه بر حسب فرکانس در حالت دوار بدست می آید و با نتایج شبیه سازی محور کامپوزیتی در نرم افزار انسیس مقایسه شده و صحه گذاری انجام می گیرد. در نهایت تاثیر پارامترهای لایه چینی مانند زاویه الیاف و ترتیب استفاده از کربن/ اپوکسی و شیشه/ اپوکسی بر روی فرکانس های طبیعی بررسی می شود.

    کلیدواژگان: محور کامپوزیتی هیبریدی، لایه چینی، یاتاقان ارتجاعی، دیاگرام کمبل، سرعت بحرانی
  • امید صدقی، سید حسین ساداتی*، جلال کریمی صفحات 2297-2313

    بروز هرگونه اشکالی در سیستم کنترل پرواز ممکن است باعث رخداد مشکلی جبران ناپذیر شود. بصورت معمول یک سیستم با قابلیت اطمینان بالا به همراه نیروی تصمیم گیری انسانی برای جلوگیری از بروز چنین خطاهایی و یا اصلاح آنها در یک جسم پرنده مورد استفاده قرار می گیرد. طراحی سیستم کنترل کننده ی تحمل پذیر خطا به منظور مقابله با انواع مختلفی از خطاهایی که در سیستم امکان وقوع دارند، صورت می پذیرد. سیستم های کنترلی تحمل پذیر خطا به دو بخش اصلی تقسیم می شوند. بخش اول مرحله تشخیص و جداسازی خطا و بخش دوم مرحله طراحی سیستم کنترل برای غلبه بر آثار خطای به وجود آمده در سیستم. بسته به نوع خطا و مکان خطا اعم از سنسور، عملگر یا اجزا، سیستم کنترلی بایستی توانایی از بین بردن اثرات آن خطا را داشته باشد. در این مقاله در مرحله تشخیص و شناسایی خطا از یک مشاهده گر عصبی-تطبیقی و در مرحله طراحی کنترل کننده از روش گام به عقب استفاده شده است. نتایج شبیه سازی با معادلات شش درجه آزادی غیر خطی برای مدل هواپیمای اف-18 نشان دهنده کارایی مناسب الگوریتم پیشنهادی در تشخیص و جبران سازی اثرات خطا است.

    کلیدواژگان: سیستم کنترل تحمل پذیر خطا، تشخیص و جداسازی خطا، مشاهده گر، شبکه های عصبی، کنترل تطبیقی، کنترل گام به عقب
  • ابراهیم محمودپور* صفحات 2315-2331

    در این مقاله ارتعاشات اجباری غیرخطی نانولوله های کربنی حامل نانو سیال مغناطیسی و تحت یک میدان مغناطیسی طولی بررسی شده است. با استفاده از میدان کرنش غیرخطی ون کارمن و تئوری تیر اولر برنولی، معادلات حاکم بر ارتعاشات غیرخطی نانولوله کربنی دوسر مفصل استخراج می شوند. با استفاده از روش مقیاس های چندگانه پاسخ فرکانسی در رزنانس اولیه، رزنانس فوق هارمونیک و رزنانس زیرهارمونیک بدست می آید. برای در نظر گرفتن اثرات نانو از مدل انتگرال غیرمحلی مبتنی بر تنش استفاده شده است. در پایان اثر سیال مغناطیسی و شدت میدان مغناطیسی بر پاسخ فرکانسی و پاسخ نیرویی بررسی شده است. از نتایج می توان دریافت که وجود میدان مغناطیسی باعث می شود که دامنه ارتعاشی سیستم  ناپایدار و دچار چرخه حدی شود. در این شرایط پاسخ ارتعاشی شبه متناوب است. ولی، وجود سیال مغناطیسی باعث می شود که دامنه ارتعاشی پایدار بوده و پاسخ زمانی متناوب شود؛ به گونه ای که نمودار پوانکاره یک نقطه را در صفحه فاز نشان می دهد. در رزنانس اولیه با وجود میدان مغناطیسی طولی، با افزایش دامنه تحریک، منحنی های پاسخ فرکانسی شامل دو زیر دامنه می باشد. که یکی منحنی مجانبی با محور افقی است و دیگری شامل یک منحنی بسته است.

    کلیدواژگان: ارتعاشات غیرخطی، نانولوله حامل سیال، میدان مغناطیسی طولی، سیال مغناطیسی، رزنانس ثانویه
  • سجاد صمدی، مصطفی نصیری*، مرضیه رضازاده صفحات 2333-2350
    درمان حرارتی یکی از روش های درمان سرطان است که عملکرد آن به کنترل دقیق توزیع دما درون بافت آسیب دیده بستگی دارد. در روش درمان حرارتی، افزایش دما در بافت سالم مجاور بافت آسیب دیده می تواند عوارض ناگواری داشته باشد. در این مقاله، کنترل بهینه لیزر به منظور درمان حرارتی سرطان با به حداقل رساندن آسیب حرارتی انجام می شود. با توجه به رفتار غیرفوریه ای انتقال حرارت در درمان تحت لیزر، توزیع دمای گذرای وابسته به زمان در حالت یک بعدی، به همراه گرمای متابولیسم و پرفیوژن خون با استفاده از معادله انتقال حرارت پنز بررسی می گردد. سپس برای به حداقل رساندن آسیب حرارتی درون بافت سالم مجاور بافت آسیب دیده، تابع هدفی شامل اختلاف آسیب حرارتی محاسبه شده با آسیب حرارتی مطلوب درنظر گرفته می شود. برای حل مسئله کنترل بهینه، از روش گرادیان مزدوج استفاده شده است. شرایط مرزی بافت مورد نظر در سطح پوست به صورت همرفت و در عمق بافت به صورت دما ثابت و برابر دمای خون در نظر گرفته شده است. نتایج حاصل از حل مسئله کنترل بهینه نشان می دهد که آسیب حرارتی با در نظر گرفتن شار حرارتی مثلثی با خطای 2% و با شار حرارتی پله ای با خطای 5% منطبق با آسیب حرارتی مطلوب است.
    کلیدواژگان: کنترل بهینه، درمان حرارتی، سرطان، آسیب حرارتی، گرادیان مزدوج
  • محمد احسانی، مهناز شمشیرساز*، ناصرالدین سپهری، مجتبی صدیقی صفحات 2351-2376
    روش امپدانس الکترومکانیکی از جمله روش های موثر جهت شناسایی آسیب در حوزه تعمیر و نگهداری بر خط به شمار می رود. در این روش از قابلیت وصله های پیزوالکتریک جهت عملگری و حسگری هم زمان استفاده می شود. تخمین طیف امپدانس الکترومکانیکی به کمک مدل های عددی یا تحلیلی مزایای ویژه ای در فرایند شناسایی آسیب فراهم می آورد. این در حالی است که وجود منابع عدم اطمینان مختلف منجر به اختلاف قابل توجه بین نتایج مدل های عددی و نتایج تجربی می شود. ازاین رو کمی سازی عدم اطمینان در پاسخ ارتعاشاتی فرکانس بالای وصله پیزوالکتریک ضرورت پیدا می کند. در این تحقیق به بررسی احتمالاتی تخمین طیف امپدانس الکترومکانیکی پرداخته می شود. در این راستا از مدل های جایگزین مبتنی بر بسط آشوبناک چندجمله ای جهت تحلیل احتمالاتی ویژگی های مودال طیف امپدانس استفاده شد. ممان های احتمالاتی و توزیع احتمال کمیت های پاسخ مورد نظر به صورت تحلیلی توسط مدل های جایگزین محاسبه شدند. تحلیل حساسیت سراسری جهت رتبه بندی اهمیت متغیرهای احتمالاتی بر واریانس مقادیر پاسخ از طریق پس پردازش ضرایب مدل های آشوبناک چندجمله ای و با هزینه محاسباتی بسیار کم امکان پذیر است. طبق نتایج، به ازای مقادیر عدم اطمینان رایج در خواص و هندسه وصله پیزوالکتریک، ضریب تغییرات در دامنه فرکانس های قله (%50/70) بسیار بیشتر از فرکانس های مودال (%4/20) است. به علاوه، فرکانس های مودال بیشترین حساسیت را به خواص مکانیکی (مدول نرمی و چگالی) و دامنه های مودال بیشترین حساسیت را به ضریب میرایی مکانیکی، ضریب گذردهی الکتریکی و ثابت پیزوالکتریک دارند.
    کلیدواژگان: پایش سلامت سازه، وصله پیزوالکتریک، کمی سازی عدم اطمینان، بسط آشوبناک چندجمله ای، تحلیل حساسیت سراسری
  • رضا واقفی* صفحات 2377-2398
    در این مقاله اثر تخلخل بر پاسخ خمش ترمو-الاستوپلاستیک ورق های مدرج تابعی با خواص وابسته به دما که در معرض ترکیبی از بارهای حرارتی و مکانیکی واقع شده اند، توسط یک مدل بدون المان سه بعدی مبتنی بر روش بازتولید نقطه با هسته پایه شعاعی مورد مطالعه قرار گرفته است. برای توصیف رفتار پلاستیک ورق، معیار تسلیم فون میزز، کرنش سختی همسانگرد و قانون جریان پراندتل-رویس بکار گرفته شده است. خواص ماده مدرج تابعی که همگی وابسته به دما فرض شده اند، به طور پیوسته در جهت ضخامت ورق، بر اساس کسر حجمی اجزای تشکیل دهنده آن و بر طبق یک تابع توانی تغییر می کنند. از قانون آمیختگی اصلاح شده برای ارزیابی موضعی پارامترهای ترمومکانیکی موثر در ماده مدرج تابعی استفاده شده است. یک مدل بدون المان سه بعدی مبتنی بر روش بازتولید نقطه با هسته پایه شعاعی توسعه یافته و در همه تجزیه و تحلیل ها بکار گرفته شده است. برای نشان دادن دقت و کارایی روش حاضر، نتایج بدست آمده با نتایج تحلیلی و عددی موجود در مراجع معتبر مقایسه شده و توافق بسیار خوبی میان نتایج مشاهده شده است. به علاوه تاثیر پارامترهای مهمی مانند ضریب تخلخل، شاخص تغییرات ماده، نسبت ضخامت و شرایط مرزی بر پاسخ خمش ورق مدرج تابعی مطالعه شده است.
    کلیدواژگان: تحلیل ترموالاستوپلاستیک، ورق مدرج تابعی، تخلخل، روش بازتولید نقطه با هسته، توابع پایه شعاعی
  • محسن آقایی، سعید امینی* صفحات 2399-2409

    امروزه به دلیل پیشرفت تکنولوژی تعداد نوسان های اعمالی به برخی قطعات به محدوده 107 نوسان و بالاتر می رسد اخیرا پژوهشگران به منظور مطالعه رفتار خستگی در این قطعات از تست خستگی فراصوتی استفاده می کنند. این دستگاه به دلیل فرکانس بالای بارگذاری و در نتیجه دستیابی به تعداد نوسان بالاتر در زمان کوتاه تر موردتوجه هست. استاندارد مورد پذیرش همگانی برای این تست وجود ندارد لذا یکی از هندسه هایی که اغلب به منظور نمونه در این تست مورد استفاده قرار می گیرد هندسه به فرم ساعت شنی است. در این پژوهش ضمن بررسی این هندسه به منظور دستیابی به هندسه بهینه یا دستیابی به تنش بیشینه، تاثیر پارامترهای هندسی بر افزایش دما در حین ارتعاش در فرکانس بالا یا همان اثر ترموالاستیکی که به عنوان یکی از معایب تست خستگی فراصوتی شناخته می شود بررسی شده است تا این اثر نیز کمینه گردد. بدین منظور ابعاد هندسه ساعت شنی شکل به صورت پارامتر تعریف گردید و تغییرات آن با استفاده از شبیه سازی صورت گرفته مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می دهد که با کاهش شعاع انحنا در کنار ثابت بودن قطر میانی و قطر قسمت استوانه ای میزان تنش افزایش می یابد و همچنین میزان تغییرات دما کاهش می یابد از طرفی افزایش قطر قسمت استوانه ای درحالی که قطر میانی و میزان انحنا ثابت باشد سبب افزایش میزان تنش و دما می گردد. نتایج فوق با استفاده از چیدمان تجربی مورد ارزیابی قرار گرفت و تطابق خوبی در آن ها مشاهده گردید.

    کلیدواژگان: خستگی فراصوتی، ترموالاستیک، هندسه، بهینه سازی، شبیه سازی
  • رضا نیک صفت، محمدرضا رازفر*، علی قاضی زاده، سلمان خانی صفحات 2411-2427

    در این مقاله تاثیر بافت های موازی لبه برنده بر فرآیند تراشکاری فولاد زنگ نزن 17-4PH مورد بررسی قرار گرفت. پارامترهای عمق، عرض و گام میکروبافت مطالعه شد. نیروی برش برآیند اندازه‏ گیری شده و تاثیر پارامترهای بافت بر روی آن با استفاده از تحلیل واریانس بررسی شد. نتایج نشان داد با افزایش عرض شیارهای میکروبافت ابتدا نیروی برش کاهش می یابد و سپس رو به افزایش می گذارد. این روند نشان می دهد که عرض شیارهای میکروبافت یک مقدار بهینه ای دارد که در آن نیروی برش فرآیند تراشکاری فولاد کمینه است. همچنین با افزایش عمق شیارهای میکروبافت، نیروی برش کاهش یافت. با افزایش گام شیارهای میکروبافت نیز مشخص شد نیروی برش روند افزایشی را طی کرده است. به منظور دستیابی به پارامترهای میکروبافت که در آن کمترین نیروی برش و کمترین تغییر شکل قطعه کار در فرآیند تراشکاری حاصل شود، بهینه سازی انجام شد. بر اساس نتایج بهینه سازی، مقادیر بهینه پارامترهای عرض، عمق و گام شیارهای میکروبافت هنگام تراشکاری فولاد 17-4PH به ترتیب برابر است با µm 126، µm 15، µm 200 بدست آمد. درصد خطای محاسبه شده جهت صحه گذاری بهینه سازی برابر با 5.81% بدست آمد که بیانگر دقت بالای فرآیند بهینه سازی در نر م افزار دیزاین اکسپرت است. تغییر شکل قطعه کار با ابزار دارای میکروبافت بهینه µm 30 و با ابزار ساده برابر با µm 62 بدست آمد که کاهش 51/6 درصدی با ابزار دارای میکروبافت را نشان می دهد.

    کلیدواژگان: نیروی برآیند برش، ابزارهای میکروبافت دار، لیزر، آنالیز واریانس، بهینه سازی
  • رضا احمدی، حسن بیگلری* صفحات 2429-2455

    در سال های اخیر، به کارگیری اتصالات جوشی در سازه های کامپوزیتی تقویت شده با الیاف به شدت در حال توسعه می باشد. اتصالات جوشی دارای عیوب ذاتی ناشی از مراحل ساخت می باشند. ترک های اولیه از این عیوب شروع شده و در نهایت منجر به شکست قطعه می شوند. لذا استخراج پارامترهای مهم در محل اتصال، کمک شایانی به مهندسان در طراحی و پیش بینی زمان شروع و توسعه ترک بین لایه ای در لایه جوش می کند. در این مقاله، برای بررسی مود دوم شکست، به محاسبه ی تجربی و عددی نرخ آزاد سازی انرژی کرنشی برشی بین لایه ای در اتصال جوش فراصوت مواد مرکب پرداخته شده است. در این پژوهش از استفاده از 3 روش کاهش داده کالیبراسیون نرمی، تیر مبتنی بر نرمی و نظریه تیر کلاسیک، برای محاسبه نرخ آزاد سازی انرژی کرنشی و از مدل کشش-جدایش ذوزنقه ای برای مدل سازی اتصال در نرم افزار آباکوس استفاده شده است. سپس از ادغام نتایج تجربی و عددی برای استخراج پارامترهای قانون کشش-جدایش استفاده شده است. در پایان نمودارهای نیرو-جابجایی بدست آمده از آزمایشات تجربی و نمودارهای نیرو-جابجایی استخراج شده از مدل سازی عددی با یکدیگر مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد مدل های استخراج شده با استفاده از روش تیر مبتنی بر نرمی و نظریه تیر کلاسیک پیش بینی خوبی نسبت به روش کالیبراسیون نرمی دارند. همچنین سهم چقرمگی شکست پل زنی در رشد ترک بیشتر از چقرمگی شکست اولیه می باشد.

    کلیدواژگان: کشش-جدایش، مد II شکست، جوشکاری فراصوتی، نرخ آزاد سازی انرژی، پل زنی
|
  • Omid Koochakianfard, Akbar Alibeigloo * Pages 2215-2238
    This paper analyzes the size-dependent vibration of nanoscale beams with simultaneously longitudinal and rotational motions based on nonlocal theory for the optimum design of nanoscale surgical robots. Also, for the first time, a parametric study is performed to explain the surface effects, viscoelastic-Pasternak foundations characteristics, thermal loads, geometric properties, symmetric and asymmetric cross-sections, axial and follower loads on the dynamics and stability of the system. Adopting the Galerkin discretization approach, the reduced-order dynamic model of the system is acquired. Also, analytical and numerical methods are exploited. To ensure the accuracy of the proposed model and method, the present study results are compared and validated with those of published articles. Stability maps and Campbell diagrams are drawn for different working conditions. The results showed that increasing the surface elastic modulus and residual stress improves the vibration frequencies and dynamic instability threshold. It is also found that with increasing system thickness/length, the axial velocity of static instability decreases/increases. In addition, it is observed that the system performance improves with increasing the elastic and shear coefficients of the foundation. The results of the present study significantly help designers and engineers control the vibration of bi-gyroscopic nanoscale robots.
    Keywords: Nanobeam, Longitudinal, Rotational Motions, Vibration Frequency, Nanoscale Surgical Robots, Surface Effects
  • Ali Asghar Mahdizadeh Soula, Mostafa Nazari *, Habib Ahmadi, Mohsen Nazari Pages 2239-2254
    Microfluidics has many applications in modern sciences such as medicine and biomedical engineering. There are usually two ways of injecting fluids; using pressure regulations in fluid flow lines and using syringe pumps, which using syringe pumps is the most common way. Today, a lot of research has been done in this field, but a limited number of them have focused on active control of the droplet size. In this research, a microchannel was first fabricated using photolithography. To inject fluids into the channels, a syringe pump is designed and built using a DC motor with suitable speed and torque and the L298N module. The fluids used in this research are double distilled water as a discrete phase and oil as a continuous phase. An Arduino Mega 2560 board has also been used as the processor to automatically control this system. The droplet diameter is calculated using a digital microscope and its image processing with a high-speed algorithm. The sliding mode control algorithm has been used to control the droplet size due to the nonlinearity of the system behavior as well as the disturbances. The obtained results for three different diameters i.e. 82, 90, and 100 µm, show the accurate performance of the sliding mode controller.
    Keywords: Microfluidics, Micro-Droplets, Syringe Pump, Droplet Size Control, Sliding Mode Control
  • Ali Soltani *, Mohammad Hussain Kamari Pages 2255-2276
    Today, the use of drones to automate activities such as civil works, rescue operations, and military missions is expanding to increase speed and accuracy, retaining manpower and reducing costs. According to this approach, in this paper, hybrid control of position and force for a spherical inverted pendulum on top of a quadrotor whose motion is constrained in the vertical direction is studied to enable the quadrotor-spherical inverted pendulum system to perform operations such as painting and cleaning on high ceilings. In this regard, first using Newton-Euler laws, the equations of motion governing the quadrotor-inverted pendulum system in the constrained motion are extracted, and then by presenting a model for the constraint force, a hierarchical control system including position-force control loop, inverted pendulum orientation control loop and quadrotor orientation control loop is provided. Proposed Control laws for the inverted pendulum orientation control loop and the quadrotor orientation control loop are designed using some theorems of geometric control methods.  Finally, to study the performance of the proposed control method, some numerical simulations have been performed.
    Keywords: Hybrid Control, Quadrotor, Spherical Inverted Pendulum, Hierarchical Control, Geometric Control
  • Mohammad Mahdi Nazari, Abbas Rahi *, Roohollah Sarfaraz Khabbaz Pages 2277-2295

    A rotating composite shaft can be used with power transmission applications in the rotating machinery industry. A composite power transmission shaft usually has higher natural frequencies and critical speeds than a conventional metal power transmission shaft. Accurate determination of the natural frequency of the shaft is of great importance in its design, especially in the case of composite shafts due to the anisotropy of composite materials. In this paper, first in a rotating state, finite element results of a composite shaft of eight layers of carbon/epoxy in the case of two steel discs in the middle are symmetric with different diameters are compared with the results of previous research and the accuracy of the results is verified. A hollow composite shaft of eight layers of carbon/epoxy and glass/epoxy is modeled with two steel discs on the elastic supports. Applying the Lagrange equations, the equations of motion of the hybrid composite shaft are obtained using the modified equivalent modulus beam theory. By writing code in MATLAB software and numerical solution, the amplitude diagram in terms of frequency in the rotating state is obtained and compared with the results of the composite shaft simulation in Ansys software, and validation is performed. Finally, the effect of stacking sequence parameters such as fiber angle, arrangement of use carbon/epoxy, and glass/epoxy on natural frequencies is investigated.

    Keywords: Hybrid Composite Shaft, Stacking Sequence, Elastic Bearing, Campbell Diagram, Critical Speed
  • Omid Sedghi, Seyed Hoseyn Sadati *, Jalal Karimi Pages 2297-2313

    Any defect in the flight control system may cause an irreparable problem. Typically, a highly reliable system with human decision-making power is used to prevent or correct such errors in a flying vehicle. A fault tolerant control system is designed to deal with various types of errors that may occur in the system. Fault-tolerant control systems are divided into two main parts. The first part is the error detection and isolation phase and the second part is the control system design phase to overcome the error effects in the system, depending on the type of error and the location of the error, whether the sensor, actuator, or components, the control system must be able to eliminate error effects. In this paper, a neural-adaptive observer is used in the error detection stage, and in the second stage, a control system is designed based on the back-stepping algorithm. Nonlinear six-degree-of-freedom simulation results for an F-18 aircraft model indicate its suitable efficiency in the detection and compensation of fault effects.

    Keywords: Fault Tolerance Control System, Observer, Neural Networks, Adaptive Control, Back-Stepping Control
  • Ebrahim Mahmoudpour * Pages 2315-2331

    In this article, the nonlinear forced vibrations of carbon nanotubes conveying magnetic nanofluid under a longitudinal magnetic field have been investigated. Using Von Karman's nonlinear strain field and the Euler-Bernoulli beam theory, the equations governing the nonlinear vibrations of carbon nanotubes are extracted. Using the method of multiple scales, the frequency response in primary resonance, superharmonic resonance, and subharmonic resonance is obtained. In order to consider the effects of small size, a stress-driven non-local integral model has been used. In the end, the effect of magnetic fluid and magnetic field intensity on frequency response and force response has been investigated. From the results, it can be seen that the presence of a magnetic field causes the system's vibration amplitude to be unstable and have a limited cycle. In this condition, the vibration response is quasi-periodic. However, the presence of magnetic fluid causes the vibration amplitude to be stable and the time response to alternate; In such a way that the Poincaré diagram shows a point in the phase plane. In the primary resonance, with the presence of the longitudinal magnetic field, as the excitation amplitude increases, the frequency response curves include two sub-amplitudes. One is an asymptotic curve with a horizontal axis and the other is a closed curve.

    Keywords: Nonlinear Vibrations, Carbon Nanotube Conveying Fluid, Longitudinal Magnetic Field, Magnetic Fluid, Secondary Resonance
  • Sajjad Samadi, Mostafa Nasiri *, Marzieh Rezazadeh Pages 2333-2350
    Todays, various treatments such as surgery, chemotherapy, radiotherapy, and hyperthermia are used to treat cancer. The best treatment for cancer is to accurately control the distribution of temperature in the damaged tissue, which has been the subject of many studies in recent years. Due to the increased temperature in cancer treatment, and especially in hyperthermia, the healthy tissue adjacent to the damaged tissue also disappears and results in bad consequences. In this paper, the optimal laser control for cancer therapy has been done. According to the non-Fourier behavior of temperature transitions in laser treatments, the time-dependent transient temperature distribution in one-dimensional mode, along with the heat of metabolism and perfusion of blood, using the Pence heat transfer equation, is analyzed. In order to minimize the damage to the healthy tissues adjacent to the damaged tissue, the objective function includes the difference between the calculated thermal damage with the desired thermal damage is defined. Therefore, the thermal flux value is optimized as an optimal control problem, and the lowest and most useful value is obtained. Finally, the results of the numerical solution to this problem are extracted and shown for triangular thermal flux and square heat pulses.
    Keywords: Optimal Control, Hyperthermia, Tumor, Thermal Damage, Conjugate Gradient
  • Mohammad Ehsani, Mahnaz Shamshirsaz *, Naserodin Sepehry, Mojtaba Sadighi Pages 2351-2376
    Electromechanical impedance spectroscopy can be used for damage localization by estimating the electromechanical impedance spectrum with numerical or analytical models. The existence of several sources of uncertainty, however, leads to a significant mismatch between the numerical and experimental results. Therefore, uncertainty quantification for high-frequency coupled electromechanical vibration response of the piezoelectric patch is necessary. Polynomial chaos expansion is an efficient method for assessing uncertainty when dealing with time-consuming models. For the probabilistic analysis of modal features of the impedance spectrum, surrogate models derived by polynomial chaos expansion were used. The statistical moments and probability distributions of the quantity of interest were computed analytically using surrogate models. By post-processing the coefficients of polynomial chaos expansion models with relatively minimal computing cost, global sensitivity analysis was performed to rank the relevance of input variable variation on response variance. According to the results, due to the common uncertainties in the material properties and geometry of the piezoelectric patch, the coefficient of variation in the peak amplitudes is substantially higher than the peak frequencies. In addition, modal frequencies are most sensitive to mechanical properties (compliance and density), whereas modal amplitudes are most sensitive to mechanical damping, electrical permittivity, and the piezoelectric constant.
    Keywords: Structural Health Monitoring, PIEZOELECTRIC PATCH, Uncertainty Quantification, Polynomial Chaos Expansion, Global Sensitivity Analysis
  • Reza Vaghefi * Pages 2377-2398
    In this paper, the effect of porosity on the thermo-elastoplastic bending response of temperature-dependent functionally graded plates exposed to a combination of thermal and mechanical loads is studied using a three-dimensional meshless model based on the radial basis reproducing kernel particle method. To describe the plastic behavior of the plate, the von Mises yield criterion, isotropic strain hardening, and the Prandtl-Reuss flow rule are adopted. The material properties are continuously varying in the thickness direction according to a power-law function in terms of the ceramic and metal volume fractions. The modified rule of mixtures is employed to locally evaluate the effective thermomechanical parameters of the functionally graded material. A 3D meshless model based on the radial basis reproducing kernel particle method is developed and used in all analyses. To show the accuracy and efficiency of the present method, the obtained results are compared with the existing analytical and numerical results and very good agreements have been observed. Several numerical examples for temperature, deflection, and stress analysis of porous functionally graded plates are presented, and the effect of significant parameters such as porosity coefficient, material gradient index, thickness ratio, and boundary conditions on the bending response of plates has been investigated.
    Keywords: Thermo-Elastoplastic Analysis, Functionally Graded Plate, POROSITY, Reproducing Kernel Particle Method, Radial Basis Function
  • Mohsen Aghaei, Saeid Amini * Pages 2399-2409

    Nowadays, the number of oscillations applied to some parts reaches the range of 107 and higher. Recently, researchers have used ultrasonic fatigue tests to study the fatigue behavior in these parts. This device is considered because of the high frequency of loading and as a result, achieving a higher number of oscillations in a shorter time. There is no universally accepted standard for this test, therefore, one of the geometries that are often used as a sample in this test is the geometry in the form of an hourglass In this research, while investigating this geometry in order to achieve optimal geometry or achieve maximum stress, the effect of geometric parameters on temperature increase during high-frequency vibration or the thermoelastic effect, which is known as one of the disadvantages of ultrasonic fatigue testing, has been investigated. This effect should also be minimized. For this purpose, the dimensions of the hourglass geometry were defined as parameters and its changes were investigated using the simulation. The results showed by decreasing the radius of curvature, along with the stability of the middle diameter and the diameter of the cylindrical part, the amount of stress increases and also the amount of temperature changes decreases. On the other hand, the diameter of the cylindrical part increases, while the middle diameter and the amount If the curvature is constant, it will increase the amount of stress and temperature. The above results were evaluated using the experimental arrangement and a good match was observed in them.

    Keywords: Ultrasonic Fatigue, Thermo-Elastic, Geometry, Optimization, Simulation
  • Reza Niksefat, Mohammad Reza Razfar *, Ali Ghazizadeh, Salman Khani Pages 2411-2427

    In this study, the effect of microtextures parallel to the cutting edge on the rake face of cutting tools during the turning process of 17-4PH steel was investigated. The depth, width, and distance of micro-textures were studied. Turning tests were performed with the created tools and the cutting force was measured by a dynamometer. The results showed that by increasing the width of microgrooves, the cutting force first decreases and then increases. This trend shows that the width of the microgrooves has an optimal value in which the cutting force during the turning process is minimal. Also, the cutting force is reduced by increasing the depth of microgrooves. By increasing the distance of microgrooves, it was found that the cutting force has increased. Based on the optimization results, the optimal values of the parameters of width, depth, and distance of the microgrooves are 126 µm, 15 µm, and 200 µm, respectively. The calculated error percentage for optimization validation was 5.81%, which indicates the high accuracy of the optimization process in the Design-Expert software. The deflection of the workpiece was achieved with a tool with an optimal microgroove of 30 µm and with a plane tool equal to 62 µm, which shows a 51.6% reduction with a textured tool. In fact, the accuracy of the machined part was improved with microtextured tools.

    Keywords: Cutting Force, Microtextured Tools, Laser Surface Texturing, Analysis Of Variance, Optimization
  • Reza Ahmadi, Hasan Biglari * Pages 2429-2455

    The generalized progressive damage model is numerically and experimentally studied to predict the degradation process in end notch flexure composite specimens welded by the ultrasonic method. In numerical modeling, a trapezoidal traction-separation model that expresses the embedded process zone is developed using three data reduction methods of the compliance calibration method, classical beam theory, and compliance-based beam method, and formulated by combining failure and damage mechanics. Finally, the force-displacement diagrams obtained from experimental investigations and the force-displacement diagrams extracted from numerical modeling are compared. The results demonstrate that the models extracted using the compliance-based beam method and classical beam theory method make accurate predictions compared to the compliance calibration method.

    Keywords: Traction-Separation, Mode II Fracture, Ultrasonic Welding