فهرست مطالب

مکانیک هوافضا - سال دوم شماره 3 (پیاپی 6، اسفند 1385)

فصلنامه مکانیک هوافضا
سال دوم شماره 3 (پیاپی 6، اسفند 1385)

  • 116 صفحه، بهای روی جلد: 20,000ريال
  • تاریخ انتشار: 1385/12/16
  • تعداد عناوین: 9
|
  • علی اصغر جعفری، مجید قدیری، محمدرضا همایی نژاد صفحه 1
    در این مقاله نحوه مدلسازی دینامیک سیستم متشکل از آلیاژهای هوشمند و الگوریتم پیاده سازی آن بوسیله کامپیوتر به تفصیل بیان می شود. در آلیاژهای هوشمند، مدول الاستیستیه به علت وجود فازهای از نوع مارتنزیت و آستنیت در ساختار میکروسکوپی آلیاژ و وقوع استحاله میان آنها به صورت تابعی از زمان انجام می گیرد. در حالیکه، معادلات توصیف کننده دینامیک سیستم فرم پایه خود را (حالتی که مدول الاستیسته ثابت باشد) حفظ می کند. در محاسبه اثر استحاله در مدول الاستیسیته، کسر حجمی مارتنزیت به آستنیت پارامتر تعیین کننده می باشد. مدول الاستیسته مذکور، در زمان تغییرات خود رفتاری شبیه یک سیستم جرم – فنر – دمپر با ضرایب متغیر از خود نشان می دهد. در این تحقیق، روش جدیدی در کنترل مود لغزشی ارتعاشات به منظور کاهش پدیده نوسانات شدید سیستم کنترل ارایه شده است. در این روش، یک تابع ریاضی برای تنظیم پارامتر h در ورودی کنترلی مود لغزشی معرفی شده است. این تابع به گونه ای تعریف شده که براساس انتخاب ترم های آن توسط طراح، سیستم کنترلی می تواند با سرعت دلخواه به نزدیکی سطح لغزش برسد، سپس به آهستگی وارد لایه مرزی اطراف سطح لغزش شده و در داخل لایه مرزی رفتار ملایمی داشته باشد. به منظور بررسی تاثیر اعمال تابع فوق در الگوریتم کنترل مود لغزشی ارتعاشات بر عملکرد سیستم، مدلهای ساده شده یک سیستم یک درجه آزادی تیر با تکیه گاه های ساده، متشکل از آلیاژ حافظه دار، در شبیه سازی سیستم کنترل مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که الگوریتم پیشنهادی دارای تاثیری مساعد بر عملکرد سیستم کنترل بوده و همچنین عدم قطعیت پنج درصدی در مدول الاستیسیته تاثیری بر عملکرد کنترلر ندارد.
    کلیدواژگان: آلیاژهای حافظه دار، مدول الاستیک آستنیتی و مارتنزینی، مدول الاستیک تانژانتی، کنترل، لغزشی، عدم قطعیتهای پارامتری، بهره کلیدزنی
  • علی اصغر جعفری *، حسن غیاثوند صفحه 15
    آلیاژهای حافظه دار در سالهای اخیر به عنوان مواد نوین با قابلیت های برتر در مصارف پزشکی، مانند ایمپلنت ها، استنت های NiTi خود انبساط و کاربردهای غیر پزشکی، مانند عملگرها، میکروعملگرها، تجهیزات جذب و کنترل ارتعاشات به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. در این مقاله خاصیت حافظه داری، سوپرالاستیسیته و قابلیت میرایی بالا، سه ویژگی متمایز این مواد، مورد بررسی قرار گرفته و یک مدل ساختاری یک بعدی برای پیش بینی رفتار سوپرالاستیک تنش – کرنش پیشنهاد شده است. در مدل مورد نظر از کرنش به عنوان متغیر کنترلی استفاده شده است. ابتدا، معادلات استحاله حاکم بر تحول فازی آستنیت-مارتنزیت، ناشی از از القا تنش ارایه شده و سپس مدل گسسته زمانی به کمک روش برگشتی اولر بدست آمده است. حل مدل گسسته زمانی از طریق الگوریتم برگشتی اصلاح شده برای حالت تحول فازی صورت گرفته است. در ادامه، مدول تانژانتی برای تامین همگرایی درجه دو روش نیوتن در وضعیت فعال تحول فازی استفاده شده است. برای پیش بینی رفتار ماده در داخل هیسترزیس شبه الاستیک از روش تجربی مولر کمک گرفته شده و الگوریتم حل مدل توسعه یافته ارایه شده است. نتایج آزمون های تجربی مختلف مورد بررسی قرار گرفته و در پایان نتایج مدل پیشنهادی با آزمون های تجربی مورد مقایسه و ارزیابی قرار گرفته است. این مقایسه تطابق خوب نتایج مدل پیشنهادی با آزمون های تجربی را نشان می دهد.
    کلیدواژگان: الیاژهای حافظه دار، خاصیت سوپر الاستیک، خاصیت حافظه داری، قابلیت میرایی، هیسترزیس
  • محمدحسن جوارشکیان، امیر کریمی* صفحه 31
    در این پژوهش، یک فرآیند عددی برای شبیه سازی جریان آب در حال انجماد درون یک لوله توسعه داده شده است. در این فرآیند از روش آنتالپی – تخلخل برای پیش بینی مرز مشترک مایع / جامد، استفاده شده که توانایی تشخیص محل انجماد در هر لحظه را دارد. روش به کار رفته یک روش ضمنی است که در آن فشار به عنوان متغیر اصلی می باشد. در روال فوق معادلات ناویر – استوکس با استفاده از روش حجم محدود در یک شبکه جابجا شده برای محاسبه متغیرها حل شده است. ضمن بررسی خواص فازهای مایع و جامد و تاثیر آنها بر فرایند انجماد، زمان انجماد و طول سرمایش لازم برای گرفتگی جریان بر حسب فاکتورهای موثر مورد مطالعه قرار گرفته است. پارامترهای موثر شامل قطر لوله، سرعت متوسط سیال، دمای دیواره و دمای اولیه سیال است. به دلیل تعدد پارامترهای موثر، علاوه بر استخراج نتایج در حالت بی بعد برای ارتباط فاکتورهای مختلف به دست آمده است. به منظور بررسی اعتبار شبیه سازی، مقایسه ای بین نتایج بدست آمده و نتایج تجربی موجود در حالتی خاص انجام شده که همخوانی مطلوبی بین آنها دیده می شود. نتایج نهایی به دست آمده نیز همخوانی خوبی با نتایج تجربی معتبر موجود است.
    کلیدواژگان: انجماد آب، آنتالپی تخلخل، زمان انجماد، لوله ها
  • علی خانی*، عباس وفایی صفت، صادق رحمتی صفحه 41
    هدف اصلی در این تحقیق، ارایه الگوریتمی برای یافتن وزن کمینه مخازن تحت فشار کامپوزیتی با آستر غیر فلزی است. مخازن کامپوزیتی تحت فشار داخلی به صورت گسترده در صنایع هوا فضا و به صورت تجاری، مانند مخازن قابل حمل ذخیره اکسیژن، مخازن ذخیره سوخت و غیره به کار می رود. کاهش وزن در این مخازن علاوه بر صرفه جویی در مقدار و هزینه مواد به کار رفته باعث کاهش مصرف سوخت، هزینه های حمل و نقل و نیز افزایش نسبت برد وسیله نقلیه به وزن آن می شود. مطالعات قبلی [1] نشان می دهد که شکل کلگی ژئودزیک بهترین عملکرد را در مقایسه با انواع اشکال کلگی شناخته شده دارد. به این ترتیب، در این تحقیق بهینه سازی ترتیب چیدمان در هر زاویه پیچش برای تعداد لایه های مختلف صورت گرفته است. این کار با استفاده از الگوریتم ژنتیک و تحلیل اجزای محدود انجام شده و در نهایت پوسته کامپوزیتی که کمترین تعداد لایه را داشته باشد و در عین حال مقدار معیار شکست آن زیر عدد یک باشد، به عنوان سبک ترین چند لایه انتخاب شده است. مقایسه بین زوایای پیچش مختلف نشان می دهد که مخازن با زاویه پیچش الیاف 9 درجه، عملکرد بهتری نسبت به مخازن با زوایای پیچش 20 و 30 درجه دارد. مقایسه مخازن طراحی شده شانزده لایه ای با یک مخزن نمونه موجود نشان می دهد که علاوه بر استحکام بالاتر، در انتخاب ترتیب چیدمان بهینه فرآیند ساخت نیز بایستی مورد توجه قرار گیرد.
    کلیدواژگان: مخازن تحت فشار کامپوزیتی، یکسان بودن کشش، کلگی ژئودزیک، بهینه سازی وزنی، الگوریتم ژنتیک
  • رضا یوسفی*، محسن حامدی صفحه 57
    در این تحقیق، فرآیند فرزکاری با فرز سر کروی تجزیه و تحلیل شده و بر اساس مکانیک تراش فلزات مدلی برای پیش بینی نیروهای وارد بر فرز سرکروی ارایه شده است. در این مدل، لبه برنده که در عمل برش مایل انجام می دهد، به اجزای بسیار کوچکی تقسیم شده است. فرض می شود که هر یک از این اجزا یک لبه برنده راست تراش باشد. نیروی وارد بر لبه برنده برآیند نیروهای وارد بر این اجزا است. برای محاسبه زاویه برش و اصطکاک و نیز تنش برشی بر حسب سرعت تراش، سرعت پیشروی و زاویه براده از توابعی تجربی استفاده شده است. مقدار نیروهای حاصل از این مدل با نیروهای به دست آمده از نتایج تجربی دیگران روی فولاد 1045 و آلیاژ Ti6Al4V در شرایط مختلف تراش انطباق خوبی با یکدیگر دارند.
    کلیدواژگان: مایع ترای، فرز سر کروی، نیروهای ماشین کاری
  • محمدرضا حسنی آهنگر*، ناصر مزینی، حسام الدین ابن الدین حمیدی صفحه 67
    برای داشتن طیف وسیعی از اعداد ماخ مافوق صوت در یک تونل باد، دارا بودن یک نازل همگرا – واگرای متغیر و دقیق با کنترل پذیری اتوماتیک مناسب و قابلیت اتکاپذیری بالا لازم است. در این تحقیق، عملکرد یک نازل همگرا – واگرا و نقش آن در تونل باد مافوق صوت ST2 مورد تحلیل و ارزیابی واقع شده و بر اساس نتایج این ارزیابی، یک سیستم کنترل اتوماتیک تنظیم نازل طراحی و پیاده سازی شده است. برای بهینه سازی عملکرد این سیستم کنترلی، یک کنترل کننده فازی طراحی و پیاده سازی شده و رفتار آن در چند آزمون در عدد ماخهای مختلف مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. نتایج این ارزیابی و تحلیل نشان از سرعت بالاتر، دقت و پایداری مناسب و قابلیت اطمینان بالای آ؛ن دارد. این امر علاوه بر موارد ذکر شده سبب افزایش کارآیی کلی تونل باد شده که نقش عمده ای در اعتماد بیشتر کاربران آن و کاهش هزینه های انجام آزمون را به همراه داشته است.
    کلیدواژگان: تونل باد مافوق صوت، نازل همگرا، واگرا، سیستم فازی، کنترل کننده فازی
  • محسن ثقفیان، بهداد فروغی مهر، مجتبی مدح خوان صفحه 79
    در کار حاضر جریان لزج تراکم ناپذیر اطراف یک شناور زیرآبی کنترل شونده در دو حالت دایم و غیر دایم به کمک نرم افزار فلوئنت تحلیل عددی شده است. در این شبیه سازی ضرایب نیروهای هیدرودینامیکی در محدوده حرکتهای تعریف شده آن محاسبه شده است. این حرکات شامل حرکت افقی و عمودی شناور بصورت شتابدار و بدون شتاب می باشد. با توجه به اینکه نیروی وارد به شناور در حرکتهای شتابدار شامل دو بخش حقیقی و مجازی است، برای تفکیک این دو بخش از معادله موریسون استفاده شده است. نتایج بدست آمده قابلیت معادله موریسون را در برآورد نیروهای وارد بر این شناور نشان می دهد. علاوه بر آن، مقایسه ضرایب نیروی مجازی وارد به شناور در حرکات گوناگون نشان می دهد که نوع حرکت تاثیر شدیدی بر مقدار این ضرایب ندارد.
    کلیدواژگان: ضرائب هیدرودینامیکی، معادله موریسون، شناور زیر آبی
  • مصطفی اسلامیان، مهدی میرزایی*، قاسم علیزاده صفحه 97
    مشخصه غیرخطی نیروهای تایر اصلی ترین عامل ناپایداری دینامیک جانبی خودرو بوده و کنترل مستقیم گشتاور چرخشی روشی موثر برای پایدارسازی خودرو است. در این مقاله برای کنترل دینامیک چرخشی خودرو یک کنترل کننده بهینه غیرخطی با هدف تعقیب رفتار خطی محدود شده با ضریب اصطکاک جاده طراحی می شود. برای این منظور، ابتدا با استفاده از بسط سری تیلور، پاسخ چرخشی خودرو از روی یک مدل غیر خطی دو درجه آزادی توسعه داده شده، پیش بینی می شود و سپس با حداقل کردن پاسخ های مطلوب و پیش بینی شده، قانون کنترل مورد نظر به دست می آید. در ادامه، خواص عمده کنترل کننده پیشنهاد شده، به همراه مزایای آن نسبت به سایر روش های متداول کنترلی، مورد بحث قرار می گیرد. قانون کنترلی بدست آمده بصورت تحلیلی بوده و پیاده سازی آن آسان است. ضمن این که با این روش می توان محدودیت های ورودی های کنترلی را نیز در نظر گرفت. کارآیی بیشتر سیستم کنترلی با شبیه سازی مانورهای تغییر باند شدید به وسیله یک مدل کامل خودرو مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که با اعمال کنترل کننده بهینه غیرخطی، پایداری خودرو به میزان قابل توجهی افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: دینامیک خودرو، کنترل غیر خطی، بهینه سازی، پایداری جانبی، کنترل مستقیم گشتاور چرخشی
  • عبدالله شادآرام، نورالله رستمی*، سیدآرش سیدشمس طالقانی صفحه 107
    در مقاله حاضر، اثرات زاویه حمله بر رفتار جریان آشفته نزدیک یک دنباله در پشت یک صفحه مسطح به کمک جریان سنج سیم داغ بررسی شده است. صفحه مسطح متقارن بوده، دارای لبه گرد و لبه فرار تیز با زاویه اریب 45 درجه می باشد. اندازه گیری ها در یک تونل باد با سطح مقطع 305×305mm و سرعت ماکزیمم 40m/s انجام شده است. عدد رینولدز بر مبنای طول وتر 6×105 بوده است. مدل در زوایای حمله 5، 10، 15 و 20 درجه قرار داده شده است. گر چه نشان داده شده که قانون لگاریتمی برای زاویه حمله صفر درجه در دنباله نزدیک تا فاصله ای از لبه فرار اعتبار دارد، لیکن نتایج این تحقیق نشان می دهد که اعتبار این قانون در ناحیه نزدیک دنباله با افزایش زاویه حمله در یک مقطع ثابت کاهش می یابد. همچنین، در یک زاویه حمله ثابت، با دور شدن از لبه فرار این قانون اعتبار خود را زودتر از زاویه حمله صفر درجه از دست می دهد. از طرف دیگر، اثر زاویه حمله روی انرژی جنبشی آشفتگی در لایه برشی بررسی شده است. همچنین، افزایش ضریب درگ با افزایش زاویه حمله نشان داده شده است.
    کلیدواژگان: سیم داغ، آشفتگی، جریان نزدیک دنباله، ضریب درگ
|
  • A.A. Jafari, M. Ghadiri, M.R. Homaenejad Page 1
    The procedure of modeling+of shape memory alloy (SMA) dynamics and the corresponding computerized algorithm are described extensively in this paper. In shape memory alloys, due to the existence of the Martensite and Austenite phases in the microscopic structure of the alloy and also conversion between the phases, the elasticity modulus of the material shows a time varying behavior, while the structures of the equations describing the dynamics of the system remain similar to the ones with constant elasticity modulus. To evaluate the effect of conversion between phases on the elasticity modulus, the Martensite to Austenite volume fraction is of the main concern. Therefore, the mentioned elasticity modulus can be modeled as an oscillating spring-damper-mass system with variable parameters. Then, a new chattering alleviation algorithm for sliding mode control (SMC) of non-linear systems is presented. In the new method, a mathematical function for regulating parameter is introduced. Due to the initial choice of this parameter by designer, the state vector of the system approaches the sliding surface with any arbitrary speed and enters the boundary layer surrounding the sliding surface, while the state vector does not include fast behaviors through the boundary layer. To show the abilities and the merits of the aforementioned regulating routine on the vibration control of a SMA system, simulations are carried out within Simulink environment. The results show that our proposed algorithm has positive effects on the control system performance, while the 5% uncertainity in the elasticity module has no effect on it.
    Keywords: SMA, Austenite, Martensite Elastic Modulus, Tangential Elastic Modulus, Sliding Mode Control, Parametric Uncertainties, Switching Gain
  • A.A. Jafari*, H. Ghiasvand Page 15
    Shape memory Alloys (SMA) are widely used as new materials with higher potential in implants, self expanding NiTi stents, etc. for medical applications and in actuators, micro actuators, components for isolation of vibrations, etc. for non-medical applications. In this study, shape memory effect, superelasticity, and excellent damping capability, three special characteristics of this material, are discussed and an extended one-dimensional constitutive model for prediction of superelastic behavior is proposed. The model is based on strain as control variable (strain driven). Stress induced austenit-martensite evolutionary equations are first proposed and time-discrete model is then obtained through backward Euler scheme. The solution of the time-discrete model is approached by a modified return map algorithm for phase transition. Then, tangent modulus is used for the quadratic convergence of the Newton method in the phase transition conditions. Muller model helps us to predict material behavior in the pseudo-elastic hysteresis. In the next step, extended solution algorithm is proposed and different experimental test results are discussed. Finally, the proposed model results are compared with the result of some experimental studies, which shows good agreements.
    Keywords: Shape Memory Alloys, Superelastic Effect, Shape Memory Effect, Damping Capability, sasasasssasslsHysteresis
  • M.H. Djavareshkian, A. Karimi* Page 31
    In this research, a finite volume numerical approach was developed to simulate physical details of convection-dominated water solidification in pipes. Our approach was based on the enthalpy-porosity method, which is used to track the motion of liquid-solid fronts and to obtain freezing length and time of solidifications. The Navier-Stokes equations were solved on a staggered grid, using a pressure-based implicit procedure. The results, which were validated against experimental data, show a remarkable quality of our simulation.
    Keywords: Water Solidification, Enthalpy, Porosity, Freezing Time, Pipes
  • A. Khani*, A. Vafaeesefat, S. Rahmati Page 41
    The main aim of this work is to present an algorithm to find the minimum weight for the composite high-pressure vessels with non-metallic liner. Composite pressure vessels are widely used in aerospace and commercial industries such as in rocket motor cases, in portable oxygen storage, and in fuel tanks. Weight minimization in these vessels (in addition to large savings in amount and cost of material) results in reducing fuel consumption and transportation costs; and increasing the ratio of travel range to weight. Previous studies [1] show that geodesic head has the best performance among different known head shapes. The stacking sequence optimization at each winding angle is performed for different number of layers. This is done through using genetic algorithm and finite element analysis. Finally, the composite shell with minimum number of layers whose Tsai-Wu failure criterion is bellow one is selected as the laminate with minimum weight. A comparison between different winding angles shows that winding angle of 9 degrees has better performance than 20 and 30 degrees. With performing a comparison between existing vessel and optimized 16 layered vessels, it is seen that, in addition to maximum strength, manufacturing conditions should be considered for the best stacking sequence selection.
    Keywords: Composite Pressure Vessels, Isotensoid, Geodesic Head, Weight Optimization, Genetic Algorithm
  • R. Yousefi *M. Hamedi Page 57
    In this work, the ball-end mill machining has been analyzed and a model based on mechanics of metal cutting is developed. This model is used for prediction of the cutting forces in ball-end milling from fundamental data. The cutting edge in this model is considered as a series of infinitesimal elements and the oblique cutting process with these elements has been analyzed as orthogonal cutting process. Cutting forces result from the summation of cutting forces on these elements. The results have been compared with the experiments on machining 1045 steel and Al4 Ti6V and show relatively good agreements.
    Keywords: Oblique Cutting, Ball, end Mill Machining, Cutting Forces
  • M.R. Hassani, Ahangar*, N. Mozayani, H.E. Hamidi Page 67
    An automatically controlled variable converging-diverging supersonic nozzle with high dependability is required for wide range of Mach numbers in a supersonic wind tunnel. In this work, the performance of a converging- diverging nozzle of the ST2 supersonic wind tunnel was evaluated and analyzed. Based on our results, an automatic control system for adjustment of the nozzle was designed and implemented. Then, a fuzzy control system was used to optimize the wind tunnel’s performance and behavier. The results show that, it is supprior in speed, precision, stability, and reliability. In addition, the new system has caused better wind tunnel overall performance, enhancing its reliability and reducing its cost.
    Keywords: Wind Tunnel, Converging, diverging Nozzle, Fuzzy System, Fuzzy Control
  • M. Saghafian, B. Forughi, Mehr, M. Madhkhan Page 79
    In present work viscous flow over a remotely operated vehicle (ROV) was investigated numerically using the FLUENT CFD software. In this simulation, the ROV hydrodynamic forces and dimensionless force coefficients are estimated in defined motions. These motions include horizontal and vertical movement with and without acceleration. Hydrodynamic forces in accelerating motion include two parts; actual and virtual. The Morrison’s equation was used to separate these two parts. Results show that the Morison equation is capable of estimating forces in such accelerating motions. In addition, the type of motion does not seem to have considerable effects on virtual force coefficients.
    Keywords: Hydrodynamic Coefficients, Morison Equation, Underwater Vehicle
  • M. Eslamian, M. Mirzaei*, G. Alizadeh Page 97
    Non-linear characteristic of tire forces is the main cause of vehicle lateral dynamics instability, while direct yaw moment control is an effective method to recover the vehicle stability. In this work, an optimal non-linear controller for yaw dynamics to track a linear model, limited by road friction coefficient, is developed. The yaw rate response of an extended 2DOF non-linear model is first predicted by Taylor series expansion and then a control law is introduced by minimizing the local differences between the predicted and the desired responses. Here, the main properties of the proposed control law and its advantages over the other conventional control methods are discussed. The derived control law has an analytical form which is easy to apply and handles the control input saturation explicitly. The effectiveness of the designed controller is investigated through simulations of severe lane change maneuvers, using a developed non-linear full vehicle dynamic model. The simulation results show that the vehicle stability can be remarkably improved when the optimal non-linear controller is applied.
    Keywords: Vehicle Dynamics, Non, linear Control, Optimization, Lateral Stability, Direct Yaw Moment Control
  • A. Shadaram, N. Rostamy*, S.A.S. Shams, Taleghani Page 107
    In this paper, the effects of angle of attack on flow behavior in the near wake of a flat plate, using a hot-wire anemometer are reported. The symmetric flat plate used has a rounded leading edge and a sharp trailing edge with a sweep angle of. All measurements were carried out in a wind tunnel with a cross sectional area of 305×305 mm and a maximum velocity of 40. The Reynolds number, based on the chord length, was. The model was placed at angles of attack 5, 10, 15, and 20 degrees. It was concluded that, although it has been shown that the logarithmic law for angle of attack of zero is validated up to distances in near wake, its validity there is decreased by increasing the angle of attack. However, this law will not be validated by going away from the trailing edge. Also, the effect of angle of attack on turbulence kinetic energy in shear layer and on drag coefficient has been investigated. The results show that the turbulent kinetic energy is enhanced by increasing the angle of attack in a certain distance from the trailing edge and its value is reduced by going away from the trailing edge at a particular angle of attack. Also, the results show how the drag coefficient is increased when angle of attack gets larger.
    Keywords: Hot Wire, Turbulence, Near Wake Flow, Drag Coefficient