فهرست مطالب

روش های عددی در مهندسی - سال سی و چهارم شماره 2 (زمستان 1394)

نشریه روش های عددی در مهندسی
سال سی و چهارم شماره 2 (زمستان 1394)

  • تاریخ انتشار: 1395/01/09
  • تعداد عناوین: 10
|
  • سپیده هاشمی، سهیل محمدی صفحات 1-12
  • احسان یاری، حسن قاسمی صفحات 13-36
    هدف از ارائه این مقاله ارائه الگوریتم کاربردی جهت تحلیل ارتعاشات شفت - پروانه در شناورهای دریایی میباشد. در ابتدا شناورزیرسطحی در سرعتهای مختلف در حالت ناپایا با استفاده از روش حجم محدود مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. بر اساس نتایج به دست آمده از این تحلیل میدان دنباله پاشنه شناور و ورودی به پروانه در زمانهای مختلف استخراج شده است. میدان جریان ورودی به پروانه در کد مرزی لحاظ شده است و با استفاده از این کد پروانه شناور در حالت ناپایا مورد تحلیل قرار گرفته است و نیروها و گشتاورهای اصلی و جانبی روی پروانه استخراج شده است. سپس داده های ب هدست آمده از روش المانمرزی به همراه هندسه دقیق شفت و پروانه با استفاده از روش المان - محدود مورد بررسی قرار گرفته است. فرکانس طبیعی و اجباری پروانه در مودهای ارتعاشی مختلف تعیین شده اند. با توجه به داده های به دست آمده از آنالیز عددی المان محدود، بیشترین جابجایی پروانه مربوط به نوک پره در حالت ارتعاشات اجباری میباشد.
    کلیدواژگان: ارتعاشات پروانه، شفت، المان مرزی، المان محدود، حجم محدود
  • یاسر میرباقری، حسن نحوی*، جمشید پرویزیان صفحات 37-50
    تحلیل پراکندگی شبکه یکی از معیارهای بررسی کارآیی روش اجزای محدود در شبیه سازی انتشار امواج صوتی یا امواج الاست یک است. مشکلی که معمولا در استفاده از این روش درشبیه سازی مسائل انتشار موج به وجود می آید به ناپیوستگی های میدانی برمی گردد که نهایتا منجر به تغییر در اندازه و جهت بردار سرعت موج از یک جزء به جزء مجاور می شوند. برای حل این مشکل و بهبود دقت پاسخ ها دو راه حل پیشنهاد شده اند که عبارتند ازتغییر روش انتگرالگیری و تغییر توابع شکل. در این تحقیق از روش اجزای محدود ایزوجئومتریک استفاده شده- است. در این روش از توابع شکل بی-اسپلاین و نربز استفاده می شود که باعث بهبود دقت پاسخ ها خصوصا در مسائل دینامیک سازهای یک بعدی شده اند. درجه پیوستگی این توابع شکل در مرز دو جزء مجاور می تواند بزرگتر از صفر باشد. در این تحقیق، تحلیل دو بعدی پراکندگی شبکه درانتشار موج در حالت کرنش صفحه ای برای اولین بار ارائه شده است. نتایج نشان میدهند که پراکندگی شبکه در درجات آزادی یکسان، در مقایسه با روش اجزای محدود کلاسیک، به نصف کاهش می ییابد.
    کلیدواژگان: پراکندگی شبکه، موج الاستیک، توابع شکل بی، اسپلاین ونربز، سرعت فازی موج، سرعت گروهی موج
  • امیر هوشنگ اخویسی، حمید توانایی فر صفحات 51-71

    این مقاله یک مدل ماکرو را برای پیش بینی رفتار درون صفحه سازه های بنایی غیرمسلح ارائه می دهد. مدل مزبور برمبنای مفهوم تئوری چند صفحه ای ارائه می شود. از این روش درگذشته برای مدل سازی رفتار ماسه ها، با صرف نظر از چسبندگی و مقاومت کششی، استفاده شده است. با توجه به پایه ریاضی این روش و امکان گسترش آن در سایر مواد، در تحقیق حاضر این روش بر ای پیش بینی بار شکست در سازه های بنایی غیرمسلح به کار می رود. این مدل قادر است ناهمسانی تحمیلی مصالح شکننده را مانند بتن ، سنگ و مصالح بنایی، که به دلیل ترک خوردن ایجاد می شود، به طور ذاتی در نظر بگیرد. در این راستا سطح تسلیم مورد استفاده شامل سطح تسلیم موهرکلمب تعمیم یافته به همراه کپ فشاری و قطع کننده کششی است. مقایسه پیش بینی های عددی از تحلیل غیرخطی سازه های بنایی غیرمسلح در مقابل باره ای جانبی با نتایج به دست آمده از داده های آزمایشگاهی توانایی این مدل را در تحلیل شکست سازه های بنایی نشان می دهد.

    کلیدواژگان: دیوار بنایی غیرمسلح، مدل سازی ماکرو، روش چندصفحه ای، ناهمسانی تحمیلی، سخت شوندگی و نرم شوندگی کرنشی
  • علی جعفریان، احمدرضا پیشه ور صفحات 73-85
    در پژوهش حاضر از یک روش تک سیالی به همراه روش اویلری- لاگرانژی ALE برای شبیه سازی جریان تراکم پذیر انفجار زیر آب استفاده شده است. همچنین از حلگر دقیق ریمان به همراه معادله ی حالت متناسب با رفتار ترمودینامیکی آب در فرآیند انفجار استفاده شده است. حل دوبعدی انفجار زیر آب در نزدیکی یک صفحه به همراه کاویتاسیون مدلسازی شده است. به منظور شبیه سازی دقیق محل موج از یک شبکه ی تطبیقی در دامنه ی حل استفاده شده است. شبیه سازی مساله ی انفجار زیر آب دارای تطابق بسیار خوبی با کارهای مشابه عددی می باشند که نشان دهنده ی قابلیت روش حاضر در شبیه سازی فیزیک انفجار در زیر آب و مدلسازی تغییرات حجم حباب انفجاری و نیز ایجاد و اضمحلال ناحیه ی کاویتاسیون در انفجار زیر آب می باشد.
    کلیدواژگان: جریان تراکم پذیر، انفجار زیر آب، ALE، کاویتاسیون
  • فرشید مسیبی*، مائده نصر اصفهانی صفحات 87-103
    وجود نقاط تکین درون دامنه حل و یا برروی مرزها موجب کاهش دقت و شیب هم گرایی روش های عددی می شود. این پدیده در مسائل مهندسی عمدتا به دلیل وجود ناپیوستگی در شرایط مرزی و یا تغییر ناگهانی در شکل دامنه به وقوع می پیوندد. در این تحقیق حل مسائل تکین ورق با استفاده از روش بدون شبکه توابع پایه نمایی مورد توجه قرار می گیرد. در این روش توابع مجهول به صورت یک ترکیب خطی از توابع پایه نمایی درنظر گرفته شده و ضرایب ثابت آن با برآورده شدن تقریبی شرایط مرزی محاسبه می شود. برای بهبود دقت حل و شیب هم گرایی در مسائل دارای نقاط تکین، یک سری توابع تکین شبه نمایی به توابع پایه نمایی روش اضافه می شود. این توابع دارای ناپیوستگی مناسب در محل نقاط تکین بوده و مانند سایر توابع پایه نمایی معادله دیفرانسیل همگن را برآورده می کنند. نتایج حاصل از حل سه نمونه از مسائل ورق ترک خورده بیانگر افزایش چش مگیر دقت و شیب هم گرایی روش پیشنهادی نسبت به روش توابع پایه نمایی بدون افزایش زیادی در هزینه محاسباتی است.
    کلیدواژگان: روش های بدون شبکه، مسائل تکین، توابع پایه نمایی، معادلات بای هارمونیک، ورق
  • موسی رضایی*، فرزاد فلاحی صفحات 105-122
    در صنعت از چرخ دنده ها بصورت گسترده به منظور انتقال قدرت و یا تغییر جهت گشتاور انتقالی استفاده می شود و این حجم وسیع کاربری، اهمیت طراحی دقیق و نگهداری از این سیستم ها را بیش از پیش آشکار می کند. شناخت سیستم ها را می توان با مدل کردن و بررسی رفتار آنها و مقایسه با رفتار واقعی بدست آورد. تاکنون مدل سازی و تحلیل ارتعاشات غیرخطی سیستم انتقال قدرت چرخ دنده ای ترک دار با لحاظ کردن اثر اصطکاک خشک صورت نگرفته است. هدف از انجام این تحقیق، بررسی ارتعاشات غیرخطی یک جفت چرخ دنده ساده درگیر ترک دار در حضور خطای انتقال استاتیکی، لقی، سفتی متغیر با زمان دندانه ها و اصطکاک خشک بین دندانه ها می باشد. بدین منظور ابتدا سفتی درگیری متغیر با زمان دندانه ها به صورت تحلیلی محاسبه شده و ترک ریشه دندانه با فرض دندانه بصورت یک تیر ترک دار یک سر گیردار مدل شده است. معادلات حاکم بر سیستم با در نظر گرفتن عوامل مذکور استخراج و برای اعمال اثر اصطکاک خشک، معادله حاکم در سه بازه زمانی جدا از هم بازنویسی شده است. در نهایت معادله حاکم با استفاده از روش رانگ-کوتا حل شده و تاثیر اصطکاک خشک و ترک ریشه دندانه بر ارتعاشات غیرخطی سیستم با استفاده از نمودارهای پاسخ فرکانسی و دوشاخگی بررسی شده است.
    کلیدواژگان: چرخ دنده ساده، اصطکاک خشک، ترک ریشه دندانه، ارتعاشات غیرخطی، آشوب
  • احمد فیروزیان نژاد، سعید ضیایی راد صفحات 123-142
    ورق های مرکب دوپایداره به علت داشتن دو حالت کاملا پایدار و عدم نیاز به منبع دائم انرژی برای ماندن در هر کدام از این حالت های پایدار، کاربردهای فراوانی دارند. توجه این پژوهش بر بررسی پاسخ ارتعاشی و کنترلی صفحات مرکب دوپایداره با چینش[90/0] متمرکز شده است. بدین منظور با استفاده از روش ریلی - ریتز به همراه اصل هامیلتون و نوشتن برنامه ویژه در نرم افزار متلب، معادلات الکترومکانیکی حاکم بر ورق بدست آمده و در ادامه به منظور کنترل ارتعاشات ورق با استفاده از روش فازی، کنترلری طراحی و عملکرد آن در نرم افزار سیمولینک شبیه سازی شده است. به منظور نزدیک کردن شرایط مسئله به واقعیت، عواملی چون اغتشاش و تاخیر زمانی کنترلر در شبیه سازی لحاظ گردیده است.
    کلیدواژگان: ورق مرکب، دوپایداره، پرش ناگهانی، ارتعاشات غیرخطی، روش فازی، کنترل
  • حامد عدالتی، بهزاد سلطانی صفحات 143-157
    در مقاله حاضر به کمک یکی از روش های بدون المان به تحلیل استاتیکی ورقهای نازک با اشکال هندسی گوناگون بر مبنای تئوری های کلاسیک میندلین پرداخته شده است. در این روش عددی دامنه مسئله، تنها توسط مجموعه ای از گره ها بیان می شود و به هیچگونه شبکه بندی یا المان نیاز نیست. برای بیان دامنه مسائل با اشکال هندسی گوناگون ابتدا مجموعه ای از گره ها در یک دامنه مستطیلی استاندارد تعریف می شوند، سپس توسط یک نگاشت مرتبه سه این گره ها به دامنه مسئله اصلی انتقال می یابند، بنابراین می توان ورقهای با اشکال هندسی مختلف را تحلیل کرد. از میان روش های عددی بدون شبکه، در اینجا از روش بدون شبکه گالرکین (EFG) استفاده می شود. روش مذکور از روش های انتگرالی فرم ضعیف می باشد که از توابع شکل MLS جهت تقریب استفاده می کند. با توجه به عدم خاصیت دلتا در توابع شکل MLS نمی توان شرایط مرزی را بصورت مستقیم اعمال کرد، لذا برای اعمال شرایط مرزی از روش لاگرانژ استفاده می شود. در پایان برای نشان دادن صحت روش حل، جوابهای روش حاضر با جوابهای حاصل از حل تحلیلی ورقها و روش های المان محدود مقایسه خواهد شد. و پس ار تایید صحت روش حل به حل چند نمونه جدید پرداخته خواهد شد.
    کلیدواژگان: روش بدون شبکه گالرکین، تئوری ورق ها، حل عددی فرم ضعیف، روش اعمال مرزی لاگرانژ
  • محمد زهساز*، پویا شهریاری صفحات 159-175
    در مقاله حاضر به بررسی عددی تاثیر ایجاد فیلت بر روی محور در مقاومت خستگی سایشی آن پرداخته شده و نتایج حاصل از مدلسازی عددی با داده های آزمایشگاهی موجود در ادبیات فن مقایسه می گردد. به منظور بررسی مقاومت خستگی سایشی محور از معیارهای خستگی چند محوره و پارامتر دوم خستگی سایشی استفاده شده است. نتایج حاصل نشان می دهند که ایجاد فیلت بر روی محور باعث بهبود مقاومت خستگی می گردد که میزان این بهبود به شعاع فیلت و نسبت قطر محور بستگی دارد. علاوه بر این محل شکست محور نیز در اثر تغییر ابعاد فیلت و محور تغییر می کند. معیارهای خستگی چند محوره تا حدود زیادی در تخمین مقاومت خستگی محور موفق عمل می نمایند. با این حال نتایج حاصل از بررسی پارامتر دوم خستگی سایشی تطابق بهتری با نتایج حاصل از تستهای تجربی داشته و میتواند به عنوان معیاری مناسب جهت بررسی مقاومت خستگی سایشی محور مورد استفاده قرارگیرد.
    کلیدواژگان: خستگی، سایشی، محور و توپی، قیلت محور، خستگی چند محوره
|
  • S. Hashemi, S. Mohammadi Pages 1-12
    The phase transformation phenomenon due to the crystallographic change of shape memory alloys subjected to mechanical or thermal loading is very complicated. Regarding the thermo-mechanical coupling effects in shape memory alloys, in case of high loading rates, heat generation/absorption during the forward/reverse transformation, will lead in temperaturedependent variation and consequently affects its mechanical behavior. In this paper, a numerical algorithm based on the finite element method is proposed to investigate complex mechanical, thermal, and coupled behavior of shape memory alloys, including both exclusive behaviours of these alloys, that are superelasticity and shape memory effect. Several key examples are simulated and discussed to assess the efficiency and accuracy of proposed algorithm .
    Keywords: Shape memory alloys, superelasticity, thermo, mechanical coupling
  • E. Yari, H. Ghassemi Pages 13-36
    The main objective of this paper is to provide an applied algorithm for analyzing propeller-shaft vibrations in marine vessels. Firstly an underwater marine vehicle has been analyzed at different speed in unsteady condition using the finite volume method. Based on the results of this analysis, flow field of marine vehicle (wake of stern) and velocity inlet to the marine propeller is extracted at different times. Propeller inlet flow field is applied in the boundary element code and using this code, marine propeller has been analyzed in unsteady state. In continue, main / lateral forces and moments over the propeller are extracted. Then the data obtained from the boundary element code alongwith exact geometry of the propeller and shaft have been studied, using finite element code. Natural and forced frequency of the propeller have been determined in various modes of vibration. According to obtained data from Finite Element Method (FEM) numerical analysis, maximum displacement of propeller is for displacement of the propeller tip in forced vibration state .
    Keywords: Propeller vibration, shaft, Boundary Element Method (BEM), Finite Element Method (FEM), Finite Volume Method (FVM)
  • Y. Mirbagheri, H. Nahvi*And J. Parvizian Pages 37-50
    Grid dispersion is one of the criteria of validating the finite element method (FEM) in simulating acoustic or elastic wave propagation. The difficulty usually arisen when using this method for simulation of wave propagation problems, roots in the discontinuous field which causes the magnitude and the direction of the wave speed vector, to vary from one element to the adjacent one. To solve this problem and improve the response accuracy, two approaches are usually suggested: changing the integration method and changing shape functions. The Finite Element iso-geometric analysis (IGA) is used in this research. In the IGA, the B-spline or non-uniform rational B-spline (NURBS) functions are used which improve the response accuracy, especially in one-dimensional structural dynamics problems. At the boundary of two adjacent elements, the degree of continuity of the shape functions used in IGA can be higher than zero. In this research, for the first time, a two dimensional grid dispersion analysis has been used for wave propagation in plane strain problems using B-spline FEM is presented. Results indicate that, for the same degree of freedom, the grid dispersion of B-spline FEM is about half of the grid dispersion of the classic FEM.
    Keywords: Grid dispersion, elastic wave, b, spline, NURBS shape functions, phase velocity of wave, group velocity of wave
  • A. H. Akhaveissy, H. Tavanaei Far Pages 51-71

    This paper presents a macro model to predict unreinforced masonry structures in plane behavior. The model is based on the concept of multilaminate theory. In the past, the method has been used to model behavior of soil, disregarding the cohesion and the tensile strength. Regarding its mathematical base, and the possibility of applying in other cases, this method is used to predict the ultimate failur load in URM structures in present study. This model is intrinsically capable of spotting induced anisotropy of brittle material such as concrete, rocks and masonry, develponig as a result of cracking. Here, the yield surface applied, consists an generalized mohr-coulomb yield surface, along with a cap model and a cut-off tensile. Comparing numerical results predicted to be obtained in non-linear analysis of masonry structures unreinforced against lateral load, with the results of ther experimental data shows capability of the model in failure analysis of URM structures.

    Keywords: Unreinforced masonry wall, macro modeling, multilaminate method, induced anisotropy, strain hardening, softening
  • A. Jafarian, A. Pishevar Pages 73-85
    In the present paper thecompressibleflowoftheunderwaterexplosionhasbeensimulatedusing One-fluid method along with the Eulerian-Lagrangian ALE method. Besides, the exact Riemann solver and an appropriate equation of state which is consistent with the thermodynamic behavior of water in underwater explosion, is employed. The two dimensional underwater explosion problem near a flat plate is modeled. In order to increase the accuracy of the method for simulating the wave front, the adaptive grid is used. The simulated underwater explosion results agreed well with other similar numerical simulations. The numerical results indicate the capability of the present study in simulating the physics of underwater explosion and modeling the fluctuations of explosive bubble and also predicting the creation and collapse of the caviation zone.
    Keywords: Compressible flow, underwater explosion, Arbitrary, Lagrangian, Eulerian (ALE), cavitation
  • F. Mossaiby*And M. Nasr Esfahani Pages 87-103
    Existence of singular points inside the solution domain or on its boundary deteriorates the accuracy and convergence rate of numerical methods. This phenomenon usually happens due to discontinuities in the boundary conditions or abrupt changes in the domain shape. This study has focused on the solution of singular plate problems using the exponential basis functions method. In this method, unknown functions are considered as a linear combination of exponential basis functions and the coefficients are calculated by approximate satisfaction of the boundary conditions. To increase the accuracy and convergence rate in problems with singular points, a series of singular, quasi-exponential functions are added to the method’s exponential basis functions. These functions have proper discontinuity in location of the singular points and satisfy the homogenous differential equation. The results obtained from the solution of three cracked plate problems show considerable increase in the accuracy and convergence rate of the proposed method compared with the exponential basis functions method without any noticeable increase in the computational cost.
    Keywords: Meshless methods, singular problems, exponential basis functions, bi, harmonic equation, plate
  • M. Rezaee*, F. Fallahi Pages 105-122
    The gear systems are widely used in industry to transmit the power or change the direction of the torque. Due to the extensive usage of the gears, the detailed designing and the subsequent maintenance of these systems are more and more evident. System recognition can be achieved through modeling the system, investigating the system behavior, and comparing the results obtained through the model with the actual system behavior. Up to now, the effect of dry friction has not been taken into account in nonlinear vibration analysis and modeling of a cracked one-stage gear power transmission system. In this paper, the nonlinear vibration of a pair of cracked spur-gear system in presence of dry friction, static transmission error, clearance and time-variant mesh stiffness is investigated. To this end, the time-variant mesh stiffness of an intact tooth is calculated analytically. Then, the tooth root crack is modeled as a cracked cantilever beam. The governing nonlinear equation of motion is extracted accordingly, and in order to consider the effect of dry friction, the governing equation solved by Rung- Kutta method in three separate time spans. Finally, the frequency response and bifurcation diagrams are used to study the effect of the friction and tooth root crack on the nonlinear vibration behavior of the system.
    Keywords: Spur gear, dry friction, tooth root crack, nonlinear vibration, chaos
  • A. Firouzian, Nejad, S. Ziaei, Rad Taki Pages 123-142
    Having two stable configurations and no need to any permanent energy sources for remaining in each of these stable states, bi-stable composite plates have gained many applications. This paper has concentrated on control and dynamic response of cross ply bi-stable composite plates ( . ). To do this, using Hamilton principle , Rayleigh-Ritz method, and a MATLAB programme specifically designed for this study, have been applied in order to extract the governing equation of motions in plates. Then, in order to control the large vibration of the cross ply bi-stable plate, a fuzzy controller was proposed using a fuzzy logic and its prformance was simulated by Simulink in Matlab environment. In order to simulate the real conditions on the controller performance, the effect of disturbances and time delay on the responses of controller were also investigated.
    Keywords: Bi, stable composite plate, snap, through, nonlinear vibration, fuzzy logic, control
  • H. Edalati, B. Soltani Pages 143-157
    Utilizing one of the mesh free methods, the present paper concerns static analysis of thin plates with various geometric shapes based on the mindlin classical plate theories. In this numerical method, the domain of issue is solely expressed through a set of nods and no gridding or element is required. To express the domain of issues with various geometric shapes, first a set of nodes are defined in a standard rectangular domain , then via a three-order map with, these nodes are transferred to the main domain of the original issue; therefore plates of various geometric shapes can be analyzed. Among meshfree numerical methods, Element Free Galerkin method (EFG) is utilized here. The method is one of the weak form integral methods that uses MLS shape functions for approximation. Regarding the absence of Delta feature in MLS functions, boundary conditions cannot be imposed directly; hence the Lagrangian method is utilized to impose boundary conditions. At the end, our outputs are compared with those of analytic and finite element methods for plates, in order to validate the exactness of our solution method, and then after reliability is established, a few new examples will be solved.
    Keywords: Element Free method of Galerkin (EFG), Plate's theory, weak form numerical solution, Lagrange methode
  • M. Zehsaz*, P. Shahriary Pages 159-175
    The present paper studies the effect of creating a fillet on fretting fatigue strength of an axle, using different multiaxial fatigue criteria and fretting fatigue damage parameter. Finite element method is applied to obtain stress and strain in the axle and the results obtained from modeling are compared with the experimental test data available in literature. The results show that fretting fatigue strength of the axle and fracture area depends on the ratio of diameter to fillet radius. Multiaxial fatigue criteria is almost capable of estimating the fatigue strength of the axle . However; the results obtained from investigating fretting fatigue damage parameter are almost in accordance with the results of experimental data and consequently fretting fatigue damage parameter can be appropriately used as a criterion for estimating fretting fatigue strength of the axles.
    Keywords: Fretting fatigue, axle, hub, fillet axle, multiaxial fatigue