فهرست مطالب

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و چهارم شماره 12 (اسفند 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/12/01
  • تعداد عناوین: 12
|
  • حامی تورجی زاده*، اویس غلامی، زهرا مهرورز، حسین باقرلو صفحه 1

    در این پژوهش، یک کاربرد جدید از پلتفرم موازی استوارت برای توانبخشی مچ دست توسعه داده شده است. ربات استوارت مانند سایر ربات های موازی فضای کاری و قابلیت حمل بار مناسبی دارد. لذا در این مقاله مدل ربات به منظور استفاده در توانبخشی مچ اصلاح شده و کنترل موقعیت است. مدل سازی کامل ربات، شامل محاسبه سینماتیک مستقیم و معکوس انجام شد؛ در هر دو حالت سینماتیک مستقیم و معکوس، از ماتریس ژاکوبین برای محاسبه ی سرعت های ربات استفاده شده است. پس از آن، معادلات دینامیکی ربات با استفاده از روش کار مجازی استخراج شد. در ادامه، به منظور حفظ مچ بیمار بر روی مسیر صحیح توانبخشی , با استفاده از دینامیک معکوس ربات، یک کنترلر CTM طراحی شد. برای انجام ایمن توانبخشی مچ دست یک مسیر بهینه استخراج شده تا کمترین ضربه را به مچ بیمار اعمال کند و این مسیر توسط کنترلر طراحی شده محقق گردیده است. به کمک شبیه سازی در نرم افزار MATLAB کارایی ربات طراحی شده نشان داده شده است. صحه سنجی مدل توسط مقایسه با داده های موجود در مقالات معتبر علمی صورت پذیرفته و کارایی کنترلر از مقایسه مختصه های تعمیم یافته واقعی و مورد انتظار، اثبات شده است. طی مدلسازی و شبیه سازی های صورت گرفته شده مشخص شد که این ربات با مدل و کنترلر طراحی شده ی آن برای استفاده به منظور توانبخشی اتوماتیک مناسب و ارجح می باشد.

    کلیدواژگان: ربات توانبخشی، ربات موازی استوارت، مدلسازی، کنترلر CTM، مسیر بهینه
  • حسین حیدری صدرآبادی، الهه سادات عبدالکریمی، سید محمدرضا موسوی میرکلائی* صفحه 2

    در این مقاله، جهت افزایش دقت ناوبری در تلفیق سامانه موقعیت یاب جهانی (Global Positioning System; GPS) و سامانه ناوبری اینرسی (Inertial Navigation System; INS)، یک رویکرد فیلترینگ مستقیم جدید به نام فیلتر کالمن توسعه یافته ردیابی قوی تصحیح شده مدل چندگانه تعاملی (IMM-RSTEKF Interacting Multiple Model Refined Strong Tracking Extended Kalman Filter;) طراحی شده است. در ساختار پیشنهادی، ضمن استفاده از معادلات ناوبری اینرسی و معادلات ردیابی به منظور بهبود دقت موقعیت و سرعت، برای افزایش دقت زوایای وضعیت، از روش های تخمین وضعیت مبتنی بر ژیروسکوپ (Gyroscope)، شتاب سنج و GPS بهره برده شده است. همچنین، به منظور مقاوم سازی فیلتر کالمن توسعه یافته (Extended Kalman Filter; EKF) در مقابل خطای مدل سازی، از روش ردیابی قوی تصحیح شده (Refined Strong Tracking; RST) استفاده شده است. سپس، روش پیشنهادی با استفاده از داده های جمع آوری شده در یک آزمایش میدانی واقعی توسط هواپیما راستی آزمایی شد و در ادامه، نتایج روش پیشنهادی با نتایج روش های فیلترینگ غیرمستقیم فیلتر کالمن متداول، فیلترینگ مستقیم فیلتر کالمن خنثی (Unscented Kalman Filter; UKF) و فیلتر کالمن توسعه یافته مدل چندگانه تعاملی (IMM-EKF) مقایسه شدند. نتایج به دست آمده عملکرد دقیق تر روش پیشنهادی را در مقایسه با سه روش قبلی در سامانه تلفیق GPS/INS نشان داده اند.

    کلیدواژگان: سامانه موقعیت یاب جهانی، سامانه ناوبری اینرسی، فیلتر کالمن یافته، تخمین مدل چندگانه، مدل چندگانه تعاملی
  • رضا عزمی، مهدی میرزایی*، امیر حبیب زاده شریف صفحه 3

    یکی از مهم ترین چالش ها در استفاده از سیستم های تعلیق فعال خودرو مصرف انرژی خارجی توسط عملگر است. استفاده از سیستم برداشت انرژی الکتریکی یکی از روش های جبران مصرف انرژی است که در آن انرژی حاصل از ارتعاشات مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل شده و ذخیره می شود. در این مقاله با طراحی یک کنترل کننده ی بهینه ی غیرخطی جدید برای سیستم تعلیق فعال خودرو که قابل تنظیم می باشد و در نظر گرفتن سیستم برداشت انرژی الکتریکی، برهمکنش این دو مورد بررسی قرار گرفته است. حلقه کنترل فعال وظیفه محاسبه نیروی مورد نیاز برای تحقق عملکرد مکانیکی مطلوب را دارد و مبتنی بر یک الگوریتم کنترل پیش بین غیرخطی مقید است. همچنین، شاخص های مکانیکی سیستم تعلیق که شامل راحتی سرنشین و حفظ تماس تایر-جاده می باشند توسط ضرایب وزنی تعریف شده در حلقه کنترل فعال مدیریت می شوند. از طرفی سیستم برداشت انرژی الکتریکی که شامل ژنراتور خطی مغناطیس دایم، مدار یکسوساز جریان الکتریکی و منبع ذخیره انرژی الکتریکی می باشد ارایه شده است. در این مقاله به تاثیر انتخاب ضرایب وزنی حلقه کنترل فعال بر میزان برداشت انرژی الکتریکی پرداخته شده است. نتایج شبیه سازی ها به ازای انواع تحریک جاده نشان می دهند که استفاده ی درست از حلقه کنترل فعال حاکم بر مساله به همراه سیستم برداشت انرژی، موجب تحقق عملکرد مکانیکی مطلوب توام با برداشت حداکثری انرژی الکتریکی شده و مصرف انرژی خارجی سیستم کنترل کننده فعال کاهش قابل توجهی پیدا می کند.

    کلیدواژگان: سیستم تعلیق خودرو، کنترل فعال ارتعاشات، برداشت انرژی، کنترل بهینه ی غیرخطی مقید، برهمکنش تعلیق فعال و برداشت انرژی
  • فربود شکوهی، بهنام حسین خانی، امیرحسین دوائی مرکزی* صفحه 4

    هدف از این مطالعه، ارایه روشی برای کنترل آونگ وارون در حضور اصطکاک غیر خطی بزرگ و نامعین بین پایه متحرک آونگ و ریل هادی مستقیم آن است. کنترل آونگ وارون که در زمره سیستم های مکانیکی فرو-عملگر (UMSs) است، به لحاظ نظری و تجربی با چالش هایی مواجه است. روش ارایه شده در این مقاله، مبتنی بر خطی سازی تقریبی از ورودی تا خروجی و اعمال روش کنترل مود لغزشی همراه با اعمال یک نیروی کنترل اضافی به پایه متحرک آونگ است تا با اصطکاک های زیاد و غیر خطی بین پایه متحرک آونگ و ریل مقابله کند. برای بررسی تجربی، یک آونگ وارون آزمایشگاهی با پایه متحرک بر روی یک ریل مستقیم پر اصطکاک ساخته شد تا الگوریتم کنترلی پیشنهادی روی آن پیاده سازی شود. ریل به گونه ای طراحی و ساخته شده است تا اصطکاک آن متغیر، نامعین و غیر خطی باشد. در ادامه، به روش تجربی، اطلاعاتی از رفتار و کران نیروی اصطکاک متغیر ناشناخته غیر خطی به دست آمد و بر اساس مقدار متوسط آن، ورودی کنترلی حاصل از کنترل کننده معمول مود لغزشی اصلاح شده است. نتایج تجربی به دست آمده، موفقیت روش پیشنهادی را در حفظ پایداری حلقه-بسته تحت شرایط چالشی ناشی از اصطکاک غیر خطی بزرگ نشان داد.

    کلیدواژگان: کنترل مود لغزشی (SMC)، آونگ وارون تکی (SIP)، قانون رسیدن نرخ ثابت (CRR)، اصطکاک متغیر غیر خطی، سیستم مکانیکی فرو-عملگر (UMS)
  • مرضیه مجیدی، مسعود عسگری* صفحه 5

    مطالعات انجام شده بر رفتار الاستومرهای دی الکتریک ، به عنوان یکی از انواع پلیمرهای فعال الکتریکی، اغلب متمرکز بر خواص هایپرالاستیک و دی الکتریک آن ها می باشد. اما گسترش استفاده از این مواد به عنوان عملگر در صنعت وابسته به شناخت بهتر عوامل موثر بر رفتار آن ها ، از جمله ویسکوالاستیسیته و همینطور امکان افزودن ویژگی های نوین همچون ناهمسانگردی به این دسته الاستومرها است. در این پژوهش با استفاده از توسعه روابط پایه در مکانیک محیط های پیوسته و مطالعه ی معادلات حاکم، یک مدل کوپل غیرخطی برای توصیف رفتار ماده هایپرویسکوالاستیک ناهمسانگرد با خاصیت دی الکتریک ارایه شده است. ابتدا با مقایسه گام به گام بین نتایج حاصل از قسمت های تشکیل دهنده مدل ارایه شده و نتایج تجربی گزارش شده در منابع موجود، مدل پیشنهادی مورد ارزیابی قرار گرفت. موافقت قابل قبول بین نتایج، حاکی از صحت و دقت مدل در توصیف رفتار ماده می باشد. در ادامه با استفاده از فرم جامع مدل، برای ماده تراکم ناپذیر دارای خواص هایپرویسکوالاستیک، ناهمسانگرد و دی الکتریک، به مطالعه تاثیر نرخ بارگذاری و میدان الکتریکی بر رفتار الاستومرهای تقویت شده با الیاف در زوایای گوناگون پرداخته شده است. نتایج به دست آمده از اعمال مدل بر یک مسیله نمونه نشان می دهد افزایش زاویه الیاف نسبت به افق، سبب کاهش بازه ی تنش، و افزایش تاثیر نرخ بارگذاری و میدان الکتریکی می شود.

    کلیدواژگان: الاستومر دی الکتریک، هایپرالاستیسیته، ناهمسانگردی، ویسکوالاستیسیته، مکانیک محیط های پیوسته غیر خطی
  • محمدجواد خوش گفتار*، حمیدرضا انصاری صفحه 6

    نقص های اساسی استخوان بویژه در استخوان های بلند مانند استخوان ران، که می توانند نتیجه ضربه، تومور و یا عفونت استخوان باشند، از متداول ترین آسیب هایی هستند که انسان در زندگی روزمره با آن ها روبه رو می شود. در این پژوهش، روندی کاربردی و با دقت مطلوب برای طراحی داربست مهندسی بافت استخوان برای کاربرد در درمان آسیب های استخوانی ارایه گردیده است. بدین منظور، تصاویر سی تی اسکن از ناحیه مربوط به استخوان ران انسان تهیه شد. با استفاده از این تصاویر، مدل های سه بعدی از قسمت های قشری و اسفنجی استخوان ران ساخته شد. یک نقص استخوانی ناشی از آسیب استخوان، در قسمت های قشری و اسفنجی ایجاد گردید. به منظور بررسی تاثیر تخلخل بر مدول یانگ سلول واحد، از تحلیل المان محدود استفاده شد. در نهایت با استفاده از نتایج حاصل از تحلیل المان محدود، سلول واحد با اندازه ضلع 0.972 میلی متر و اندازه منفذ 0.6 میلی متر برای بازسازی قسمت قشری و سلول واحد با اندازه ضلع 0.972 میلی متر و اندازه ضخامت پایه 0.165 میلی متر برای بازسازی قسمت اسفنجی طراحی شده و در ساختار داربست مورد استفاده قرار گرفت. داربست طراحی شده در این پژوهش دارای هندسه ای منطبق بر هندسه قسمت آسیب دیده در حالت ایده آل خود بوده و به خوبی شرایط مورد نیاز برای تکثیر سلولی و انتشار مواد غذایی را فراهم می کند.

    کلیدواژگان: مهندسی بافت، داربست، سلول واحد، بافت استخوانی، درمان آسیب استخوانی
  • مهدی رضوانی توکل، مهدی یارمحمد توسکی*، محسن جباری، مهرداد جوادی صفحه 7

    بال های سنجاقک یک ریز ساختار ترکیبی جذاب می باشند و ارگان های پروازی بسیار تخصصی هستند که سازگاری خوبی برای رفتار پرواز سنجاقک دارند. هدف از این مقاله، بررسی اثر نانو ذرات گرافن بر مقاومت یک ساختار ساندویچی الهام گرفته شده از پیکربندی ریزساختار بال سنجاقک تحت بارگذاری شبه استاتیک است. ساختارهای رگه ای ساندویچی از لایه های شیشه / اپوکسی با درصد های مختلف نانو ذرات گرافن ساخته شده اند. همچنین، در هسته مرکزی رگه، از فوم پلی اورتان استفاده شد. بعد از تست شبه استاتیک، ویژگی های قابلیت ضربه پذیری در این ساختارها مورد بحث قرار گرفت. از طرفی، تاثیر فوم پلی اورتان در میزان آسیب ساختار ساندویچی در اثر نیروی شبه استاتیکی مورد بررسی قرار گرفت. جهت بررسی آسیب در نمونه های ساخته شده، تصاویر سطح آسیب و نمای برش خورده آسیب گرفته شد و نتایج آن گزارش شد. در آخر، از آنالیز FE-SEM برای ارزیابی توزیع نانو ذرات گرافن در نمونه ها استفاده شد. نتایج این مطالعه نشان می دهد که وجود نانوذرات گرافن در رزین این نوع از ساختار ساندویچی با هسته فوم، اگر از یک مقدار کمتر باشد تاثیر چندانی در مقاومت ساختار نخواهد گذاشت. از طرفی، اگر نانو ذرات گرافن در رزین این نوع از ساختار از یک مقداری بیشتر شود مقاومت نسبتا خوبی را از خود نشان می دهد.

    کلیدواژگان: ساختار کامپوزیت، تست شبه استاتیک، قابلیت ضربه پذیری، جذب انرژی، هسته فوم پلی اورتان
  • ایمان باری، یدالله علی نیا* صفحه 8

    در این پژوهش، مساله جدایش اتصال جوشی پروازنده های یک خشک کن صنعتی تحت بارگذاری ضربه ای مورد بررسی قرار می گیرد. وظیفه پروازنده ها پخش یکنواخت محصول درون سیستم و جلوگیری از تماس فوری محصول مرطوب با سطح خارجی لوله های بخار است. علاوه براین، برای جدایش محصول چسبیده به بدنه داخلی از ضربه چکش های ثقلی بر روی بدنه خارجی استفاده می گردد. بررسی های به عمل آمده حاکی از آن است که ضربات مکرر چکش بر روی بدنه سیستم موجب خرابی اتصال جوش های نگهدارنده پروازنده به پوسته داخلی و در نهایت جدایش کامل آنها خواهد شد. با فرض اینکه چکش با سرعت اولیه مشخص به سطح خارجی سیستم برخورد می کند، مدل اجزای محدود مساله به کمک نرم افزار تجاری آباکوس تهیه می شود. نتایج اولیه حاکی از آن است که ضربات چکش موجب تولید تمرکز تنش و تغییر شکل پلاستیک قابل توجه در ریشه اتصال جوش های پروازنده می گردد. به منظور پیشگیری از پدیده خرابی اتصال راهکارهای مختلفی پیشنهاد شده است از جمله: تغییر مکان اتصال جوشی، تقویت اتصال به کمک نبشی، تغییر ضخامت و جنس صفحه جاذب. بر اساس نتایج بدست آمده، تغییر موضع خط جوش به سمت ابتدای پروازنده و استفاده از نبشی تقویت کننده می توانند به ترتیب حدود %18 و %43 ماکزیمم تنش ون مایسز را کاهش دهند. علاوه بر این، کاربرد یک صفحه جاذب دو لایه می تواند مقدار تمرکز تنش در ریشه اتصال جوشی را به میزان %80 کاهش دهد.

    کلیدواژگان: خشک کن صنعتی، اتصال جوشی، روش اجزای محدود، بارگذاری ضربه ای، تنش ون مایسز
  • محمد عیسی پور رودی، مهدی وحدتی*، محمدجواد میرنیا صفحه 9

    شکل دهی انبساطی انتهای لوله های جدار نازک، زیر مجموعه ای از فرآیند شکل دهی تدریجی تک نقطه ای است که به دلیل انعطاف پذیری بالا و کاربرد آن در حوزه نمونه سازی سریع، از سوی پژوهشگران مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به مطالعات اندکی که در زمینه کنترل ابعادی محصولات حاصل از این فرآیند انجام شده است، در این پژوهش، مطالعه تجربی و تحلیل آماری متغیرهای موثر بر قطر انتهای لوله های شکل دهی شده، مورد توجه قرار گرفت. در مقاله پیش رو، طراحی آزمایش بر اساس متدلوژی سطح پاسخ انجام شد. به منظور شکل دهی انتهای لوله فولادی زنگ نزن گرید 304 و اجرای تحلیل آماری، متغیرهای ورودی فرآیند مشتمل بر: قطر ابزار، گام زاویه ای ابزار، گام عمودی ابزار و نوع روانکار انتخاب شدند. سپس تاثیر متغیرهای ورودی بر قطر انتهای لوله مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. همچنین، تابع پارامتر پاسخ بر حسب عبارات خطی، تعاملی و درجه دوم از متغیرهای ورودی استخراج شد و صلاحیت و کفایت آن مورد تایید قرار گرفت. نتایج تحلیل واریانس نشان داد که عبارات گام عمودی ابزار، قطر ابزار و اثر تعاملی حاصل ضرب قطر ابزار در گام زاویه ای ابزار به عنوان موثرترین عبارات بر قطر انتهای لوله هستند. در پایان، ترکیب بهینه متغیرهای ورودی فرآیند جهت دستیابی به بیشینه قطر انتهای لوله با استفاده از روش مطلوبیت تعیین شدند و با اجرای آزمون صحه گذاری، صحت معادله رگرسیون برای پیش بینی پارامتر پاسخ مورد تایید قرار گرفت.

    کلیدواژگان: تحلیل آماری، بهینه سازی، لوله فولادی، شکل دهی انبساطی، شکل دهی تدریجی تک نقطه ای
  • سجاد برزگر محمدی، محمد حق پناهی*، مصطفی زین الدینی صفحه 10

    پژوهش حاضر به بررسی تجربی و عددی عمر خستگی اتصالات جوشی وصله ای فولادی حین بهره برداری پرداخته است. مجموعا سه نوع پانل با دستورالعمل جوشکاری مشابه اما خنک کاری متفاوت ساخته شد و سپس نمونه های بریده شده از پانل اصلی تحت آزمون های تجربی خستگی قرار گرفت. به منظور پیش بینی عمر خستگی نمونه ها، از یک رویکرد نوین مبتنی بر سختی سنجی پیوسته در مقطع جوشکاری استفاده شد. بدین منظور در گام نخست، از تصاویر ماکروگرافی و میکروسختی پیوسته مقاطع جوشکاری شده، جهت تعیین خواص مکانیکی و پارامترهای خستگی مناطق مختلف جوش و منطقه متاثر از حرارت استفاده شد. سپس مقادیر تنش و کرنش حاصل از تحلیل المان محدود با نرم افزار آباکوس، با بکارگیری سابروتین UVARM و کد نویسی مدل های خستگی چندمحوری، جهت تخمین عمر قطعات مورد استفاده قرار گرفت. در گام بعدی، نتایج حاصل از تخمین عمر عددی با معیارهای خستگی، با نتایج تجربی آزمون های خستگی مقایسه شد و خطای معیارهای مورد استفاده گزارش شد. نتایج آزمون های تجربی نشان داد که نمونه های خنک شده با آب سرعت 5/0 متر در ثانیه افزایش عمر و نمونه های خنک شده با آب سرعت 5/1 متر در ثانیه کاهش عمر در مقایسه با نمونه های خنک شده در هوا دارند. به منظور پیش بینی عمر خستگی، به ترتیب از معیارهای بروان-میلر-مارو و گلینکا استفاده شد و نتایج نشان داد که این دو معیار به ترتیب با حداکثر خطای میانگین 16/20 و 68/34 قابلیت پیش بینی عمر خستگی را دارند.

    کلیدواژگان: جوشکاری حین سرویس، عمر خستگی، اتصال وصله ای فولادی، اجزاء محدود، معیارهای خستگی چند محوری
  • میلاد سعیدی فر، حامد ثقفی، حسام ثقفی، مهدی احمدی نجف آبادی* صفحه 11

    چندلایه های کامپوزیتی مواد پیشرفته مهندسی هستند که به دلیل خواص منحصر بفرد، در صنایع مختلف به فراوانی مورد استفاده قرار می گیرند. هدف از پژوهش حاضر، بررسی تاثیر نانوالیاف الکتروریسی شده بر روی رفتار شکست و خستگی در چندلایه های کامپوزیتی و همچنین بررسی عملکرد مدلسازی المان محدود با روش المان های چسبنده در شبیه سازی رفتار خستگی این کامپوزیت ها است. بدین منظور نمونه های کامپوزیتی از لایه های پیش آغشته کربن/ اپوکسی ساخته شده و با جایگذاری نانوالیاف نایلون 6.6 در بین لایه میانی نمونه ها تقویت شدند. سپس نمونه ها تحت بارگذاری استاتیکی و خستگی مود I قرار گرفتند. نتایج نشان داد که نانوالیاف موجب افزایش 2 برابری چقرمگی شکست در نمونه های کامپوزیتی می شود. در بارگذاری خستگی نیز نرخ رشد ترک در نمونه های تقویت شده کاهش چشم گیری داشت. به طوری که در نسبت انرژی کرنشی ، نانوالیاف موجب کاهش 8 برابری نرخ رشد ترک شد. از روش مدل ناحیه چسبنده (CZM) به منظور بررسی کارایی المان محدود در شبیه سازی رشد آسیب بین لایه ای تحت بار خستگی، در نمونه های تقویت شده با نانوالیاف استفاده شد. به منظور مدلسازی رفتار خستگی از مدل آسیب پیش رونده تورون استفاده شد. تطابق قابل قبول روش المان محدود با داده های تجربی، نشان داد که روش ناحیه چسبنده ابزار مناسبی به منظور شبیه سازی گسترش آسیب خستگی در چندلایه های کامپوزیتی تقویت شده با نانوالیاف می باشد.

    کلیدواژگان: نانوالیاف، چندلایه های کامپوزیتی، کربن، اپوکسی، خستگی، روش المان محدود
  • پویا بصیر، مرتضی شمعانیان* صفحه 12

    در پژوهش حاضر ریز ساختار و خواص مکانیکی اتصال غیرمشابه سوپر آلیاژ اینکونل 718 به فولاد زنگ نزن آستنیتی 316 با استفاده از روش جوشکاری قوسی تنگستن -گاز با دو فلز پرکننده 718 (ERNiFeCr-2) و 625 (ERNiCrMo-3) مورد بررسی قرار گرفت. پس از جوشکاری، ریزساختار و خواص مکانیکی نواحی مختلف اتصال با استفاده از میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد ارزیابی قرار گرفت. ترکیب و رسوبات فصل مشترک با استفاده از آنالیز EDS مشخص شدند. همچنین خواص مکانیکی اتصال با استفاده از آزمایش کشش، ضربه و ریز سختی سنجی بررسی شد. بررسی های ریزساختاری نشان داد که ساختار انجمادی فلز پرکننده 718 ریزساختار آستنیتی با شبکه دندریتی همراه با توزیع کاربید و فلز پرکننده 625 نیز ریزساختار آستنیتی با شبکه دندریتی ایجاد کرده است. در آزمایش کشش، فلز پرکننده 718 دارای بیشترین استحکام کششی به میزان 528 مگا پاسکال و شکست تمامی نمونه های مورد آزمایش از ناحیه فلز پایه زنگ نزن آستنیتی 316 رخ داد. نتایج آزمایش ضربه نشان داد که بیشترین مقدار انرژی شکست به میزان 50 ژول برای فلز پرکننده 625 است. آزمایش ریز سختی نیز مشخص کرد که فلز پرکننده 718 دارای بیشترین سختی به میزان 214 ویکرز است.

    کلیدواژگان: اینکونل 718، جوشکاری قوسی تنگستن-گاز، AISI316، فلز پرکننده 718، فلز پرکننده 625
|
  • Hami Tourajizadeh *, Oveas Gholami, Zahra Mehrvarz, Hosein Bagherloo Page 1

    In this paper a new application of Stewart platform is developed for rehabilitation utilities. Here the Stewart model is modified in order to be employed as a wrist rehabilitation robot and is controlled using a nonlinear position approach. To meet this goal kinematics of the robot is extracted using Jacobian matrix. Afterwards, the related dynamic model of the proposed robot is developed using virtual work method. In order to keep the wrist of patient within the desired path of rehabilitation a nonlinear position control is designed and implemented on the robot using Computed Torque Method (CTM). In order to move the patient wrist along a safe path an optimal path in extracted through which the least amount of acceleration and consequently interaction force will be implemented on the wrist and this path is controlled using the designed controller. By the aid of conducting some analytic simulations in MATLAB the applicability of the proposed robot for wrist rehabilitation is demonstrated. The verification of the model is performed by comparing the results with previous articles while the efficiency of the implemented controller is proved by comparing the actual path with the desired one in presence of disturbance. It is shown that by the aid of the proposed robot and controller, the wrist rehabilitation process of a patient can be successfully accomplished.

    Keywords: Rehabilitation robot, Stewart parallel robot, Modelling, CTM controller, Optimal path
  • Hossein Heidary Sadrabady, Elahe Sadat Abdolkarimi, MohammadReza Mosavi * Page 2

    In this paper, to increase the navigation accuracy in the integrated Global Positioning System (GPS) and Inertial Navigation System (INS), a new direct filtering approach called Interacting Multiple Model-Refined Strong Tracking Extended Kalman Filter (IMM-RSTEKF) has been developed. In the proposed method, while using inertial navigation equations and tracking equations in order to improve the accuracy of position and velocity, to increase the accuracy of orientation, attitude estimation methods based on the gyroscope, accelerometer and GPS have been used. In addition, in order to enhance the Extended Kalman Filter (EKF) robustness against modeling error, the Refined Strong Tracking (RST) method has been used. The aircraft then verified the proposed method using data collected in a real field experiment. The results of the proposed method were compared with the results of conventional indirect filtering method Kalman Filter (KF), direct filtering Unscented Kalman Filter (UKF) and IMM-EKF. The results show the more accurate performance of the proposed method compared to the previous three methods in the GPS/INS integration.Keywords: Global Positioning System, Inertial Navigation System, Extended Kalman Filter, Direct Filtering, Multiple Model Estimate, Interactive Multiple Model.

    Keywords: Global Positioning System, Inertial Navigation System, Extended Kalman Filter, Multiple Model Estimate, Interactive Multiple Model
  • Reza Azmi, Mehdi Mirzaei *, Amir Habibzadeh Sharif Page 3

    One of the most important challenges in using active vehicle suspension systems is the high energy consumption of these types of systems. The use of the electrical energy harvesting system is one of the ways to reduce energy consumption in active suspension. In this article, by designing a new optimal controller of the vehicle active suspension system and the electric energy harvesting system, the interaction of them has been investigated. The active control loop calcultas the required force to realize the desired mechanical performance and is based on the constrained nonlinear predictive control algorithm that is obtained from the continuous model of the system. Also, the mechanical indexs of the suspension system, including travel comfort and roadability, are managed by weight coefficients defined in the active control algorithm. The effect of the weight coefficients of the active control algorithm in such a way to have the maximum harvesting of electrical energy at the same time as achieving the desired mechanical performance is another issue that has been addressed in this article. The results of the simulations for two types of road show that the correct use of the active control algorithm governing the problem leads to the realization of the desired mechanical performance combined with the maximum harvesting of electrical energy and the external energy consumption of the active control system is significantly reduced.

    Keywords: Vehicle suspension system, active vibration control, Energy harvesting, Constrained nonlinear control, Interaction of active suspension, energy harvesting
  • Farbood Shokouhi, Behnam Hoseinkhani, AmirHossein Davaei Markazi * Page 4

    The purpose of this study is to present a method for controlling an inverted pendulum in the presence of nonlinear and indeterminate friction force between the moving cart and its straight guide rail. Control of an Inverted pendulum, as an Under-actuated Mechanical System, is facing challenges from theoretical and experimental aspects. To deal with such challenges, a new method is proposed in this paper. The method is based on an approximate input-output linearization of the inverted pendulum dynamic model for which a modified sliding mode control is proposed. For experimental determination of the bound of friction force, an inverted pendulum with a moving cart is designed and built. The moving cart and its rail are intentionally designed and built such that the resulting friction force is nonlinear, uncertain, and state-varying. The upper bound of the friction force is obtained experimentally and its average value is added to the control input obtained from the conventional sliding mode controller. Experimental verifications depict the success of the proposed control method in preserving the closed-loop stability under the challenging case of dealing with a large nonlinear friction force.

    Keywords: Sliding Mode Control (SMC), Single Inverted Pendulum (SIP), Constant Rate Reaching (CRR) law, Nonlinear variable friction, Under-actuated Mechanical System (UMS)
  • Marzie Majidi, Masood Asgari * Page 5

    Studies on the behavior of dielectric elastomers, as a class of electroactive polymers, often focus on hyperelasticity and dielectric property. However, expanding the use of these materials as actuators in industry depends on a better understanding of the factors affecting their behavior, including viscoelasticity, as well as the possibility of adding new properties such as anisotropy to these elastomers.In this research, using the development of basic relations in continuum mechanics and consideration of governing equations, a nonlinear coupled model for describing the behavior of anisotropic hyperviscoelastic material with dielectric property is presented. First, the presented model was evaluated by step-by-step comparison between the results of its component and experimental results reported in the available literature. Good agreement between the results indicates the accuracy of the model in describing behavior of the materiel. Then, using comprehensive form of the model, for an incompressible material with hyperviscoelastic, anisotropy and dielectric properties, we studied the effect of loading rate and electric field on the behavior of fiber-reinforced elastomers at different fiber angles. Obtained results from applying the model to a sample problem show that increasing fiber angles reduces the stress range, and increases the effect of loading rate and electric field.

    Keywords: Dielectric Elastomers, Hyperelasticity, Anisotropy, Viscoelasticity, Nonlinear Continuum Mechanics
  • MohammadJavad Khoshgoftar *, Hamidreza Ansari Page 6

    Major bone defects, especially in long bones such as the femur, which can result from trauma, tumor, or bone infection, are among the most common injuries a person faces daily. This research presents a practical and accurate process for designing bone tissue engineering scaffolds to treat bone injuries. For this purpose, CT-Scan images of the area related to the human femur were obtained. A bone defect caused by bone damage was made in the cortical and trabecular parts. Next, the outer surface of the damaged parts was designed with an ideal geometry. The design of the unit building cell of the internal structure of the scaffold was also done with simple cubic geometry. Finite element analysis was used to investigate the effect of porosity on the Young modulus of the unit cell. Finally, using the results of finite element analysis, a unit cell with an edge size of 0.972 mm and pore size of 0.6 mm was designed to reconstruct the cortical part, and a unit cell with an edge size of 0.972 mm and a strut thickness of 0.165 mm was designed to rebuild the trabecular part. The scaffold designed in this study has a geometry that matches the geometry of the damaged part in its ideal state and provides the necessary conditions for cell proliferation and diffusion of nutrients.

    Keywords: Tissue engineering, scaffolding, Unit Cell, bone tissue, bone injury treatment
  • Mahdi Rezvani Tavakol, Mahdi Yarmohammad Tooski *, Mohsen Jabbari, Merdad Javadi Page 7

    Dragonfly wings have an interesting biological composite structure and are very specialized flight organs that are well adapted for the flight behavior of each dragonfly. This paper aims to investigate the effect of graphene nanoparticles on the strength of a sandwich structure inspired by the dragonfly wing configuration under quasi-static loading. The streak structures are made of glass/epoxy layers with different percentages of graphene nanoparticles. Also, polyurethane foam was used in the central core of the vein. The crashworthiness characteristics of these structures were discussed. On the other hand, the effect of polyurethane foam on the damage rate of sandwich veins due to quasi-static loading was investigated. In order to investigate the damage in sandwich structures, pictures of the damaged surface and the cut view of the damage were taken, and the results were reported. Finally, FE-SEM analysis was used to evaluate the distribution of graphene nanoparticles in the polymer structure. The results of this study show that the presence of graphene nanoparticles in the sandwich structure resin with foam core will not have much effect on the strength of the structure if it is less than one value. On the other hand, if the amount of graphene nanoparticles in the resin of this type of structure exceeds a certain amount, it shows relatively good resistance.

    Keywords: Composite structure, Quasi-static loading, Crashworthiness, Energy Absorption, Polyurethane foam core
  • Iman Bari, Yadolah Alinia * Page 8

    This paper discusses the failure phenomenon of the welding joint for the flight bars in a rotary dryer under impact loading. The flight bars are utilized to provide a curtain of particles and to avoid direct cohesion of the production to the steam tubes. In addition, some gravitational hammers knock off the shell outer skin to fall off the product buildup from the shell inner surface. The condition monitoring has revealed that periodic impacts of hammers on the outer skin will result in welding joint failure between the flight bars and the shell followed by a complete detachment. Assuming that the hammer impacts the shell by a constant rotational speed, the finite element software is employed to simulate the mentioned problem. The results indicate severe stress concentration and plastic deformation around the roots of welding joints. To prevent joint failure, different mechanisms are proposed such as: relocation of the welding joints, employment of the stiffening angles and an increase in the thickness of the absorbing pad. The outcome of current study showed that relocation of welding joint toward the flight bar end and the application of stiffening angle can decrease the maximum vonMises stress by a factor of 18% and 43%, respectively. Moreover, using a composite absorbing pad will decrease the vonMises stress level up to 80% around the roots of welding joint.

    Keywords: Rotary dryer, Welding joint, finite element method, Impact loading, vonMises stress
  • Mohammad Isapour Rudy, Mahdi Vahdati *, MohammadJavad Mirnia Page 9

    The flaring of the ends of thin-walled tubes is a subset of SPIF, which is considered by researchers due to its high flexibility and application in the field of RP. Considering the few studies that have been done in the field of dimensional control of the produced products by this process, in this research, the experimental study and statistical analysis of the variables affecting the end diameter of formed tubes were considered. In the present paper, the DOE was done based on the RSM. In order to forming the end of AISI 304 steel tube, process input variables including: tool diameter, tool angular step, tool vertical step and type of lubricant were selected. Then the effect of input variables on the tube end diameter was analyzed. Also, the function of the response parameter was extracted from the input variables in terms of linear, interactive and quadratic expressions, and its competency and adequacy was confirmed. The ANOVA results showed that the expressions of the V, D and the interactive effect of DA are the most effective expressions on the tube end diameter. Finally, the optimal combination of process input variables to achieve the maximum of the tube end diameter was determined using the desirability method, and by running the verification test, the correctness of the regression equation to predict the response parameter was confirmed.

    Keywords: statistical analysis, optimization, Steel tube, Flaring process, single point incremental forming
  • Sajjad Barzegar-Mohammadi, Mohammad Haghpanahi *, Mostafa Zeinoddini Page 10

    The present research has investigated the fatigue life of in-service steel patch welded joints by experimental/numerical approaches. To this end, three types of welded panels with similar WPS but different cooling conditions were constructed. Subsequently, test samples cut from the main panels were subjected to fatigue tests. A novel approach involving continuous hardness measurement at the welding section was employed to predict the mechanical and fatigue properties of different zones in welded specimens. Firstly, the mechanical properties and fatigue parameters of various weld regions and HAZ were calculated by microhardness measurement and metallography images. Then, stress analysis was conducted in the Abaqus. The fatigue life was predicted using the stress and strain values obtained from the FE analysis, the UVARM subroutine, and multiaxial fatigue modeling codes. The life estimations obtained from the numerical models were ultimately compared by experimental fatigue test results. The experimental tests showed that the samples cooled with water at a speed of 0.5 m/s had an increase in life, and the samples cooled with water at a speed of 1.5 m/s had a decrease in life compared to the samples cooled in air. Moreover, to predict the fatigue life, Brown-Miller-Marrow and Glinka criteria were used, respectively, and the results showed that these two criteria are able to predict the fatigue life with the maximum average error of 20.16% and 34.68%, respectively.

    Keywords: In-service welding, fatigue life, steel patch joint, finite element method, multi-axial fatigue criteria
  • Milad Saeedifar, Hamed Saghafi, Hesam Saghafi, Mehdi Ahmadi Najafabadi * Page 11

    Composite laminates are advanced engineering materials which are widely used in various industries due to their unique properties. The aim of this paper is to assess the effect of electrospun nanofibers on the fracture and fatigue behavior of composite laminates and also to investigate the performance of Finite Element Method (FEM) based on Cohesive Zone Model (CZM), in predicting the fatigue behavior of the laminates. For this purpose, standard specimens were fabricated from carbon/epoxy Prepregs interleaved with nylon 6,6 nanofibers. The specimens were then subjected to mode I static and fatigue loading conditions. The results showed that fracture toughness was doubled by adding nanofibers between composite layers. Under fatigue loading, the crack growth rate of the nanomodified specimens was less than the virgin specimens. So that, crack growth rate decreased 8 times by interleaving the nanofibers in . The CZM method was used to evaluate the efficiency of finite element in modeling the fatigue crack growth rate in virgin and nanomodified specimens. The progressive failure model was used to simulate the fatigue behavior. Consistency of FE results with the experimental results showed that the CZM method is a suitable tool to model the fatigue behavior of interleaved composite laminates.

    Keywords: Nanofibers, Composite laminates, Carbon, Epoxy, Fatigue, finite element method
  • Pouya Basir, Morteza Shamanian * Page 12

    In this study, the microstructure and mechanical properties of dissimilar joining of Inconel 718 superalloy to 316 austenitic stainless steel were investigated using tungsten-gas arc welding method with two filler metals 718 (ERNiFeCr-2) and 625 (ERNiCrMo-3) . After welding, the microstructure and mechanical properties of different joint areas were evaluated using optical microscope and scanning electron microscope. The precipitates in the interface and their chemical composition were determined using EDS analysis. Also, the mechanical properties of the joint were evaluated using tensile, impact and microhardness tests. Microstructural investigations showed that the freezing structure of filler metal 718 has austenitic microstructure with dendritic network along with carbide distribution and filler metal 625 has also created austenitic microstructure with dendritic network. In the tensile test, filler metal 718 has the highest tensile strength of 528 megapascals and the failure of all tested samples occurred in the area of the austenitic stainless steel base metal 316. The results of the impact test showed that the maximum amount of fracture energy is 50 J for filler metal 625. The micro-hardness test also determined that the 718 filler metal has the highest hardness of 214 Vickers.

    Keywords: Inconel 718, gas tungsten arc welding, AISI316, filler metal 718, filler metal 625