فهرست مطالب

مهندسی مکانیک امیرکبیر - سال پنجاه و پنجم شماره 4 (تیر 1402)

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و پنجم شماره 4 (تیر 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/04/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • حسین میرزایی نژاد*، علی حسینی سالاری، مجید فولادی ماهانی صفحات 433-460
    امروزه نسل جدیدی از خودروهای الکتریکی با فناوری موتوردرچرخ معرفی شده و در حال توسعه است. افزایش بازده سیستم، حذف واسطه های مکانیکی و دستیابی به گشتاور ترمزی احیاکننده با عملکرد بهتر، از دلایل توسعه این تکنولوژی است. در این مقاله ابتدا یک مدل پنج درجه آزادی نصف خودرو با در نظر گرفتن یک خودرو مجهز به دو موتوردرچرخ در محور عقب، به عنوان خودروی نمونه، توسعه داده شده است. سپس یک استراتژی ترمزگیری با استفاده از کنترل کننده غیرخطی پیش بین دو مرحله ای طراحی و پیاده سازی گردیده است. در مرحله اول فشار مناسب برای خطوط روغن ترمز حاصل می شود. در مرحله دوم، مقدار مناسب گشتاور احیاکننده الکتریکی با در نظر گرفتن ظرفیت جبرانی توزیع گشتاور ترمزی سیستم ترمز (EBD) به دست می آید. مقدار گشتاور احیاکننده با به کارگیری روش کنترل غیرخطی بهینه حاصل می شود. در آخر استراتژی طراحی شده از دیدگاه مصرف انرژی و پیمایش خودرو با شبیه سازی چرخه های استاندارد رانندگی مختلف مورد بررسی قرار می گیرد. نتایج نشان می دهد با کمک کنترل کننده طراحی شده و مدل ارایه شده می توان ترمزگیری بهینه ای انجام داد. از طرف دیگر با استفاده از استراتژی ترمزگیری معرفی شده و سیستم کنترلی طراحی شده می توان مقدار بازگشت انرژی به باتری را در حین ترمزگیری در مقایسه با استراتژی های موازی و سری-موازی توسعه داده شده در سایر مطالعات را تا میزان 24 درصد افزایش داد و در تست ترمزگیری اضطراری نیز تقریبا 130 سانتی متر از فاصله توقف کاست.
    کلیدواژگان: سیستم ترمز تلفیقی، خودروی برقی، ترمز احیاکننده، پیمایش، سیستم توزیع گشتاور ترمزگیری
  • حسین بهروز، حمید باصری*، حسین نورمحمدی صفحات 461-474
    زوایای ابزار تاثیر زیادی بر مکانیک برش و پارامترهای اصلی ماشینکاری مانند کیفیت سطح قطعه ، عمر ابزار، انرژی مخصوص برش و پایداری دینامیکی فرآیند دارد، یکی از موضوعات پژوهشی دراین زمینه، توسعه مکانیزم هایی است که بکمک آنها بتوان کنترل بیشتری روی فرآیند ماشینکاری از جمله زوایای ابزار، بصورت همزمان با اجرای فرآیند ایجاد کرد. در پژوهش پیش رو مکانیزم ابزارگیر دو درجه آزادی جدید برای دستگاه تراش ارایه شده که قابلیت تنظیم زاویه آزاد و براده حقیقی ابزار را حین فرآیند تراشکاری فراهم می کند. هدف از طراحی این مکانیزم استفاده از آن برای توسعه یک روش جدید کنترل فعال برای کاهش ارتعاشات چتر و افزایش پایداری دینامیکی در فرآیند تراشکاری است. در این روش کنترلر از طریق حسگر ارتعاش، بروز چتر را تشخیص می دهد و با استفاده از مکانیزم، زاویه آزاد ابزار را کاهش می دهد، این امر باعث افزایش میرایی فرآیندی شده و با افزایش میرایی کل، موجب مهار ارتعاشات چتر می-شود. برای طراحی کنترل فعال چتر، ابتدا شبیه سازی در محیط MATLAB-Simulink انجام شد و سپس با توجه به نتایج شبیه سازی، یک کنترلر on/off طراحی و پیاده سازی شد. در ادامه برای ارزیابی عملکرد سیستم کنترل چتر، آزمون های تجربی انجام شد. نتایج حاصل از تست ها نشان داد که روش پیشنهادی عملکرد مناسبی در کاهش ارتعاشات چتر در فرآیند تراشکاری می تواند داشته باشد و منجر به افزایش قابل ملاحظه ای در دامنه پایداری فرآیند می شود.
    کلیدواژگان: مکانیزم ابزارگیر، زاویه براده حقیقی، زاویه آزاد، کنترل فعال چتر، میرایی فرآیندی
  • هدیه مجاوری آگاه، مسعود عسگری* صفحات 475-494
    امروزه استفاده از تکنولوژی پیشرفته ساخت افزودنی، امکان ایجاد ساختارهایی با هندسه ی پیچیده و با هزینه ی کم را ممکن ساخته است. در این پژوهش با الهام از بافت متخلخل چوب ساختار شبکه ای گرادیانی بر اساس سلول واحد بیضی، طراحی شده است. با تغییر تدریجی ابعاد سلول واحد بر حسب نسبت ابعادی مختلف و تکرار آن در دو راستای عمود برهم لایه ها و با چینش خطی آنها، ساختارهای شبکه ای گرادیانی پدید آمده است که قابلیت گرادیانی کردن خواص را در تمام نقاط سازه دارد. ویژگی های هندسی نمونه ها با دقت بسیار خوبی بر اساس روابط تحلیلی برآورد شده است خواص مکانیکی از شبیه سازی سلول های واحد، لایه ها و سازه ها در دو جهت عمود برهم در نرم افزار Abaqus بدست آمده اند. به منظور صحت سنجی نتایج، نمونه ی پلیمری با استفاده از روش DLP ساخته و تحت آزمایش فشار قرارگرفته است. نسبت مدول الاستیک در راستای عرضی به محوری در ساختار یکنواخت برابر 5 و این نسبت با کاهش نسبت تغییرات راستای محوری از 1 به 75/0، 8/8 خواهد بود. همچنین با مقایسه ی سازه های گرادیانی نسبت به یکنواخت، با کاهش 3/0 و 2 درصدی تخلخل با تغییر یکی از ضرایب ابعادی عرضی یا طولی به 75/0، مدول الاستیک به ترتیب 6/2 و 77/2 برابر خواهد شد. این طراحی امکان ایجاد قطعاتی سبک با خواص هندسی و مکانیکی سفارشی شده براساس اولویت های طراحی و قیود هندسی، با انتخاب ضرایب هندسی مناسب را فراهم می آورد که می تواند در تولید ایمپلنت های پزشکی مورد استفاده قرار گیرد.
    کلیدواژگان: سازه شبکه ای، تخلخل گرادیانی، ساخت افزایشی، الهام از طبیعت، خواص مکانیکی
  • هادی مهدی پور، عباس روحانی بسطامی*، محمدحسین سورگی صفحات 495-514
    یک روش میکرومکانیکی تحلیلی سه بعدی بر پایه سلول واحد جهت استخراج خواص الاستیک نانوکامپوزیت های پلیمری تقویت شده با گرافن نانوپلیتلت ارایه می شود. یک المان حجمی نماینده نانوکامپوزیت که دربرگیرنده تمامی خصوصیات نانوکامپوزیت است و شامل سه فاز تقویت کننده گرافن نانوپلیتلت، زمینه ی پلیمری و ناحیه فازمیانی که خواص آن به تدریج تغییر می کند، در نظر گرفته می شود. شبیه سازی جهت گیری تصادفی ذرات گرافن نانوپلیتلت، هندسه المان حجمی نماینده نانوکامپوزیت به N_α×N_β×N_γ سلول مکعبی در سه بعد درون RVE تقسیم می شود. اندازه گرافن نانو پلیتلت و تجمع وابسته به کسر حجمی گرافن نانو پلیتلت ها به عنوان دو فاکتور مهم تاثیرگذار بر روی خواص نانوکامپوزیت، از طریق دو ایده جدید مدل سازی می شوند. به منظور اعتبارسنجی مدل ارایه شده، ابتدا نتایج بدست آمده، با داده های تجربی و مدل های میکرومکانیکی پیشین در دسترس مقایسه می شوند. سپس، اثر پارامترهایی مانند درصد کسرحجمی، اندازه نانوذره، اثر تجمع و همچنین جهت گیری تصادفی گرافن نانوپلیتلت ها درون رزین اپوکسی، و ضخامت فازمیانی بر پاسخ نانوکامپوزیت بررسی می شود. نتایج نشان می دهد که تجمع گرافن نانوپلیتلت وابسته به کسرحجمی آن است و خواص الاستیک بدست آمده از مدل میکرومکانیکی حاضر با جهت گیری تصادفی ذرات گرافن نانوپلیتلت با درنظرگرفتن تجمع نانوذرات و همچنین توجه به فازمیانی، به داده های تجربی نزدیک تر است. بر طبق نتایج بدست آمده، افزودن حتی مقدار کم درصدحجمی گرافن نانوپلیتلت، تاثیر بسزایی در بهبود خواص نانوکامپوزیت دارد. علاوه بر آن، مدل سازی ناحیه فازمیانی نیز تاثیر زیادی بر روی خواص نانوکامپوزیت دارد. بنابراین، به منظور پیش بینی واقع بینانه رفتار نانوکامپوزیت، توجه به فازمیانی حایز اهمیت است.
    کلیدواژگان: نانوکامپوزیت، گرافن نانوپلیتلت، خواص موثر الاستیک، اثر اندازه گرافن، فاز میانی
  • رضا ابوالقاسمیان، معصومه سلطانی*، احمدرضا قاسمی صفحات 515-542
    امروزه، استفاده از المان های پوسته ای کامپوزیتی نظیر تیرهای ماهیچه ای با مقطع جدار نازک به دلیل قابلیت آن ها در مصرف بهینه مصالح و کاهش وزن سازه در بسیاری از صنایع از جمله هوا فضا، دریایی و خودرو سازی افزایش قابل توجهی یافته است. طراحی اعضای جدار نازک بایستی به گونه ای صورت پذیرد که پارامتر نسبت استحکام به وزن تا حد قابل قبولی بالا باشد تا از نظر صرفه جویی در مصرف مصالح و هزینه بهینه گردند. با توجه به این نکته در این تحقیق، پایداری خمشی-پیچشی تیر-ستون ماهیچه ای جدار نازک با نیم رخ ناودانی از جنس کامپوزیت الیافی تحت شرایط مرزی مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور، انرژی پتانسیل کلی حاکم بر مسیله بر مبنای مدل ولاسو برای مقاطع جدار نازک باز، تیوری کلاسیک لایه ای و با فرض چیدمان متقارن استخراج می گردد. سپس با استفاده از روش تحلیلی رایلی-ریتز، مقدار بار کمانش خمشی-پیچشی با توجه به شرایط مرزی حاکم بر عضو محاسبه می شود. پس از تایید صحت و دقت روش ارایه شده با استفاده از نرم افزار المان محدود انسیس، تاثیر عوامل مهمی مانند پیش بارگذاری محوری، خروج از مرکزیت بار محوری فشاری، جنس الیاف، چینش لایه ها، شرایط مرزی و ضرایب باریک شوندگی بال و جان بر ظرفیت کمانشی عضو کامپوزیتی مدنظر بررسی می شود.
    کلیدواژگان: پایداری خمشی-پیچشی، عضو ماهیچه ای کامپوزیتی، نیم رخ ناودانی، تئوری کلاسیک لایه ای، روش ریتز
  • محمد نوقابی، امیرمحمد زنگنه، ایرج ستاری فر* صفحات 543-554
    رشد ترک خستگی از مکانیزم های آسیب در سازه های مهندسی می باشد که با وجود حوزه ی تنش پسماند کششی تشدید می گردد. در این پژوهش، اثر تنش پسماند کششی در جلوی جبهه ترک بر روی رشد ترک خستگی در نمونه های از جنس آلیاژ تیتانیوم مورد بررسی قرار گرفته است. تنش پسماند مکانیکی با استفاده از روش خمش چهار نقطه بر روی نمونه ها اعمال شده است و همچنین اندازه گیری تنش پسماند با استفاده از روش کرنش سنجی سوراخ انجام گرفته است. آزمون رشد ترک خستگی مطابق با استاندارد E647 بر روی نمونه های SEN(b) دارای تنش پسماند و بدون تنش پسماند صورت پذیرفته و تکرارپذیری آزمایش بررسی شده است. به منظور بررسی ناحیه پلاستیک نوک ترک، تنش پسماند اعمالی و بدست آوردن پارامتر های مکانیک شکست از نرم افزار تجاری المان محدود آباکوس استفاده شده است. نتایج المان محدود تطابق خوبی با نتایج تجربی داشت. نتایج بررسی های المان محدود و تجربی، میزان افزایش نرخ رشد ترک خستگی در حضور تنش پسماند کششی را نشان می دهد. این افزایش نرخ رشد ترک خستگی تا 50 درصد می تواند عمر خستگی را کاهش دهد.
    کلیدواژگان: رشد ترک خستگی، تنش پسماند، آلیاژ تیتانیوم، انتگرال J
|
  • Hossein Mirzaeinejad *, Ali Hosseini Salari, Majid Fooladi Mahani Pages 433-460
    Nowadays, a new generation of electric vehicles with in-wheel motor technology has been introduced and is being developed. Increasing system efficiency, eliminating mechanical intermediaries, and achieving regenerative braking torque with better performance are the motivations to seek to improve this technology. In the present study, a half-car model with five degrees of freedom has been developed by considering a vehicle equipped with two in-wheel motors on the rear axle as a sample vehicle. Then, the braking strategy has been designed using a two-stage nonlinear predictive controller. The appropriate pressure for the brake fluid lines will be reached in the first stage. In the second stage, the proper amount of electric regenerative torque is obtained using the electronic braking force distribution (EBD) function. The amount of regenerative torque is calculated nonlinear prediction control method. Finally, the designed strategy is examined from the perspective of vehicle mileage capability. The results show that optimal braking can be achieved by utilizing the designed controller and the proposed model. Also, the amount of regenerated energy to the battery can be increased more than 24% during braking by using the proposed braking strategy and the designed control system in compared with the relevant studies.
    Keywords: Cooperative braking system, Electric Vehicle, Regenerative braking, Mileage, Electric brake torque distribution system
  • Hossein Behrouz, Hamid Baseri *, Hossein Nourmohamdi Pages 461-474
    Tool angles have a great impact on cutting mechanics and main machining parameters such as surface quality, tool life, specific energy and dynamic stability of the cutting process. One of the research topics is the development of mechanisms that can be used to create more control on the machining process, such as the tool angles, simultaneously in process. In this research, a new 2DOF tooling mechanism has been presented for turning machine, which provides the ability to adjust the normal rake and clearance angles of the tool during the process. This mechanism is used to develop a new active control method for chatter suppression and increasing the dynamic stability of the turning process. In this method, the controller detects the chatter through the vibration sensor then reduces the clearance angle of the tool by using the mechanism. This increases the process damping and by increasing the overall damping, it suppresses the vibrations. To design the active controller, the simulation was done in the MATLAB-Simulink and then according to the simulation results, an on/off controller was designed and implemented. Then, experimental tests were performed to evaluate the performance of the chatter suppression control system. Results showed that the proposed method can have a good effect in reducing chatter vibrations in the turning process and leads to a significant increase in the stability of the tuning process.
    Keywords: Tooling mechanism, normal rake angle, Clearance angle, active Chatter suppression, Process damping
  • Hedyeh Mojaveryagah, Masood Asgari * Pages 475-494
    The use of additive manufacturing provides the opportunity to create complex geometries at a low cost. This paper introduces a novel nature-inspired additive manufactured graded lattice structure based on an elliptic unit cell. Altering the unit cells' dimensions by the dimension ratios in each repetition results in a graded layer. Linear tessellated layers provide a highly porous, graded structure whose specific properties can be customized at any spatial location. Geometric features were calculated with high accuracy using analytical analysis. Abaqus simulations were utilized to determine the mechanical properties of unit cells, layers, and lattices. A compression test was conducted on a polymer specimen made by the DLP technique to validate the results. For a conformal model, the elastic modulus along the latitude axis is five times bigger than the value along the longitude axis. An 8.8-fold increase in the elastic modulus is achievable by decreasing the longitude ratio from 1 to 0.75. A reduction of 0.3% in porosity by setting the longitude ratio to 0.75 and a decrease of 2% in porosity by lessening the latitude ratio to 0.75 results in increases of 2.6 and 2.77 folds in the elastic modulus along two directions, respectively. It is possible to tailor geometrical and mechanical properties to meet any design preference by selecting the proper dimension ratios, which can be utilized for medical implant design.
    Keywords: Lattice structure, Graded porous material, Additive Manufacturing, Nature-inspired, Mechanical Properties
  • Hadi Mehdipour, Abbas Rohani Bastami *, Mohammad Hossein Soorgee Pages 495-514
    A three-dimensional analytical micromechanical model based on the unit cell is extended to extract the elastic properties of GNP-reinforced polymer nanocomposites. GNP/matrix interphase region changing gradually and is considered elastic with isotropic behavior. In order to simulate the random distribution of GNPs, the geometry of the representative volume element of the nanocomposite is divided into a three-dimensional cubic with N_α×N_β×N_γ subcells. First, the obtained results are compared with the available researches. Then, the effect of parameters such as the volume fraction and aspect ratio of GNPs, the effect of agglomeration as well as the random distribution of GNPs in the epoxy resin, and the thickness of the interphase on the response of the nanocomposite are investigated. It is shown that the agglomeration of GNP depends on its volume fraction. The results show that the elastic properties obtained from the present micromechanical model with taking into account the random distribution and the agglomeration of nanoparticles and also interphase are close to the experimental data. According to the obtained results, adding even a small volume fraction of GNPs has a significant effect on improving the properties of the nanocomposite. In addition, the modeling of the interphase region also has a great impact on the properties of the nanocomposite. Therefore, in order to realistically predict the behavior of nanocomposites, it is important considering to the interphase.
    Keywords: Nanocomposite, Graphene nanoplatelet, GNP size effect, Interphase region
  • Reza Abolghasemian, Masoumeh Soltani *, Ahmad Reza Ghasemi Pages 515-542
    Nowadays, the practical applications of shell elements such as beams having thin-wall cross-sections are increasing greatly in various fields of engineering including aerospace, nuclear, marine, and automotive industries. This is due to their ability to optimally use structural materials and simultaneously reduce the total weight of the structure. Fiber polymer composites also have different conspicuous properties such as high stiffness-to-weight and strength-to-weight ratios, corrosion resistance, and high strength. Therefore, laminated composite C-section beam elements simultaneously possess both the beneficial features of fiber-reinforced composite materials and thin-walled cross-sections at the same time. Motivated by these facts, in this research, the flexural-torsional stability of multi-layer fibrous composite tapered beam-columns with channel-section subjected to axial and bending loads is investigated. For this purpose, the total potential energy governing the problem is extracted based on Vlasov’s model for small non-uniform torsion along with the classical laminated plate theory. Then, using Ritz’s methodology as an analytical solution technique, the endurable buckling load is calculated. After presenting the accuracy of the adopted method against the results obtained using Ansys finite element software, the effect of important parameters such as stacking sequences, fiber composite materials, boundary conditions, axial load eccentricity, web and flange tapering parameters, axial preloading on the linear buckling capacity of double-tapered multi-layer composite beam-column with channel-section under axial load and end moment is investigated.
    Keywords: Flexural-torsional stability, Composite tapered member, C-shaped cross-section, Classical lamination theory, Ritz&rsquo, s method
  • Mohammad Noghabi, Amirmohammad Zangeneh, Iraj Sattarifar * Pages 543-554
    Fatigue Crack Growth is an important physical phenomenon and one of the damage mechanisms in engineering materials. This damage mechanism is intensified in the presence of tensile residual stresses. In contrast, compressive residual stresses delay the fatigue crack growth process. In this study, The effects of tensile residual stresses are studied on fatigue crack growth in the titanium alloy Ti-6Al-4V specimens. Mechanical residual stresses are induced in the samples using the 4-point bending method and measured using the hole drilling technique. Fatigue crack growth tests are conducted on SEN(b) specimens according to the ASTM-E647 standard, using samples with and without residual stresses. The commercial finite element software ABAQUS was used to study the distribution of residual stresses, the plastic zone sizes at the crack front and fracture mechanics parameters. The finite element results were in good agreement with the experimental results. The results reveal that the presence of tensile residual stress may accelerate the fatigue crack growth rate in the specimens. This increase in fatigue crack growth rate can reduce the fatigue life of samples up to 50%.
    Keywords: Fatigue Crack Growth, Residual stress, titanium alloy, J-Integral