فهرست مطالب
مجله مهندسی مکانیک شریف
سال سی و یکم شماره 1 (بهار و تابستان 1394)
- تاریخ انتشار: 1394/08/12
- تعداد عناوین: 14
-
- مقاله پژوهشی
-
صفحات 3-13در این تحقیق اثر سکان بر حرکات یک شناور، در یک کد دینامیک سیالات محاسباتی بررسی شده است. روش معمول در مدل سازی سکان استفاده از شبکه بندی هم برای سکان و هم برای بدنه است. اما استفاده از این روش، به دلیل افزایش تعداد سلول های محاسباتی به کاهش سرعت حل می انجامد. افزون بر این، با توجه به پیچیدگی فرایند ایجاد شبکه در حالتی که سکان وجود دارد، در شبکه بندی فقط بدنه ی شناور مد نظر قرار می گیرد و نیروهای سکان به صورت روابط تجربی به آن اضافه و در حل معادلات حرکت از آن استفاده می شود. در این پژوهش ابتدا روش هایی برای تخمین نیروهای سکان در شرایطی که جریان با سرعت یکنواخت به آن برخورد می کند ارائه می شود. سپس در حالتی که بدنه و پروانه بر جریان ورودی به سکان اثر می گذارند، روش اصلاح نیروها بیان می شود.
کلیدواژگان: سکان، لیفت، درگ، زاویه پیچ -
صفحات 15-21هدف این تحقیق «بهینه سازی الگوریتم کنترلی خودروی هیبرید موازی مجهز به سیستم انتقال قدرت پیوسته (C V T) تمام چنبره» در چرخه ی رانندگی03 S C است. برای این منظور، ابتدا اثرات کیفی استفاده از C V T به جای گیربکس معمولی در مصرف سوخت خودرو بیان می شود. سپس الگوریتم محاسبه ی مصرف سوخت خودروی مجهز به این سیستم ارائه می شود. در ادامه، یک الگوریتم کنترلی ویرایش شده برای خودروی هیبریدموازی ارائه می شود. در نهایت، پارامترهای کنترل کننده به کمک الگوریتم گروهی پرندگان با هدف کاهش مصرف سوخت این خودرو در چرخه ی رانندگی و کاهش حجم و وزن باتری مورد نیاز آن بهینه می شود. مشاهده می شود که به ازای استفاده از الگوریتم کنترلی بهینه شده و سیستم انتقال قدرتC V T، مصرف سوخت خودروی هیبریدی در چرخه ی S C 03 35٪ کم تر از مقدار آن در حالت استفاده از گیربکس پنج سرعته و الگوریتم کنترلی غیربهینه خواهد شد. همچنین، مقدار کاهش مصرف سوخت نسبت به حالت استفاده از C V T و الگوریتم کنترلی غیربهینه معادل 5 درصد است.
کلیدواژگان: خودروی هیبریدموازی، سیستم انتقال قدرت، نسبت تبدیل پیوسته، الگوریتم کنترلی، چرخه ی رانندگی، بهینه سازی چندهدفه -
صفحات 23-34در این نوشتار چگونگی استفاده از الگوریتم ژنتیک در آموزش شبکه های عصبی، و به طور همزمان بهینه سازی ساختاری آن ها به منظور مدل سازی دینامیک غیرخطی هواپیماهایی با قابلیت مانور بالا، بررسی می شود. ارتباط های وزنی، معماری شبکه و قوانین یادگیری از مشخصاتی هستند که نقش بسیار مهمی در کیفیت آموزش و تعمیم شبکه های عصبی برای مدل سازی سیستم های غیرخطی ایفا می کنند. لذا تنظیم درست این پارامترها کمک شایانی به بهبود قابلیت تعمیم دهی شبکه ی عصبی آموزش دیده می کند. در این کار از روش الگوریتم ژنتیک عادی و اصلاح شده در کنار ساختارهایی متفاوت از شبکه های عصبی استفاده شده است. اعتباربخشی روش از طریق مقایسه و ارزیابی نتایج تحلیلی با داده های تجربی حاصل از آزمایش پرواز یک هواپیمای جنگنده ی نسل چهارم صورت پذیرفته است. بررسی ها نشان گر دقت بالای روش در مدل سازی دینامیک هواپیماست.
کلیدواژگان: دینامیک غیرخطی هواپیما، شناسایی سیستم، شبکه های عصبی، الگوریتم بهینه سازی -
صفحات 35-40در این نوشتار، روشی جدید برای افزایش مقیاسمدل های زمین شناسی نفوذپذیری ارائه می شود. این روش برمبنای تجزیه ی چهاردرختی d e c o m p o s i t i o n، یک مدل افزایش مقیاس داده شده با سلول های غیرساخت یافته تولید می کند که در ناحیه هایی از مدل زمین شناسی که تغییرات نفوذپذیری شدید است، سلول ها کوچک باقی می مانند اما در سایر نقاط مخزن سلول ها بزرگ می شوند. این عمل موجب می شود که تعداد سلول های مدل مورد نظر به تعداد قابل توجهی کم شود و لذا زمان و حافظه ی لازم برای انجام شبیه سازی جریان در مخزن شدیدا کاهش یابد. در این روش سلول هایی تولید می شود که در هر سمت ممکن است با چندین سلول با چیدمان های مختلف همسایه باشند، و همین موجب دشواری حل معادلات شبیه سازی جریان می شود. برای رفع این مشکل روش جدیدی پیشنهاد می شود که در هر سمت، تعداد همسایه های یک سلول را به حداکثر 2 سلول کاهش می دهد و موجب تسهیل فرایند گسسته سازیمعادلات جریان می شود.
کلیدواژگان: افزایش مقیاس، سلول های غیرساخت یافته، تجزیه ی چهاردرختی، شبیه سازی جریان -
صفحات 41-53در این مقاله روشی جدید برای حذف خروج از مسیر، در یک خودروی سنگین مفصلی ارائه می شود که به بهبود مانورپذیری آن می انجامد. همچنین برمبنای اصول هندسی و سینماتیکی، یک مدل مرجع برای ایجاد زاویه ی مفصل مطلوب ارائه می شود. تعقیب زاویه ی مطلوب فوق، انتهای تریلر را وادار به تعقیب مسیر چرخ پنجم خودرو می کند. بدین طریق، ضمن افزایش مانورپذیری خودروی مفصلی، جلوی دوران کنترل نشده ی نیمه تریلر نیز گرفته می شود. ورودی های مدل مرجع یادشده عبارت اند از سرعت طولی، سرعت جانبی و سرعت چرخشی واحد کشنده، و خروجی آن «زاویه ی مفصل مطلوب» است. برای تنظیم زاویه ی مفصل خودروی سنگین، یک سیستم کنترلی مبتنی بر منطق فازی طراحی شده است. این کنترل کننده با تنظیم زوایای چرخ های تریلر، رفتار خودرو را کنترل می کند. برای تنظیم سرعت چرخشی کشنده نیز یک کنترل کننده توسعه می یابد که با تغییر زاویه ی فرمان جلوی کشنده، این متغیر حرکتی را تنظیم می کند. نتایج شبیه سازی ٓشامل چندین مانور مختلفٓ موید تاثیر قابل ملاحظه ی روش پیشنهادی در بهبود مانورپذیری و پایداری خودروی مفصلی است. حساسیت روش پیشنهادی نسبت به خطای متغیرهای ورودی مدل مرجع نیز تحلیل شده است.
کلیدواژگان: خودروی مفصلی، خروج از مسیر، زاویه ی مفصل مطلوب، دینامیک خودرو، فرمان فعال تریلر -
صفحات 55-64در این نوشتار طراحی و آزمایش دستگاه تشخیص فاصله به منظور استفاده در سیستم خودکانون لیتوگرافی شرح داده می شود. این ریزسنج نیوماتیک، با توجه به فشار گاز درون نازل سرتخت که در مقابل صفحه قرار می گیرد، فاصله را اندازه گیری می کند. بدین منظور از مدار تفاضلی شامل یک مسیر مبنا و مسیر اصلی گاز استفاده شده و روابط حاکم بر اجزای آن شناسایی می شود. دستگاه معادلات متشکل از این روابط به روش محاسباتی حل می شود تا وضعیت عملکردی مدار جریان به دست آید. با بررسی تاثیر نازل ها، وضعیت شیر و فشار کاری بر دقت اندازه گیری فاصله، مقادیر بهینه ی ابعاد آنها مشخص می شود. آزمایش ها با کنترل دبی ثابت و نیز با شیر فشارشکن انجام شد. بزرگ نمایی 20 میلی متر بر میکرومتر در فاصله ی 50 تا 100 میکرومتر امکان پذیر شد. وضعیت دستگاه پایدار و نتایج تکرارپذیرند. امکان به کارگیری این روش برای تنظیم فاصله به اثبات رسید و ابزار ریاضی لازم برای طراحی فراهم آمد.
کلیدواژگان: حس گر نیوماتیک، لیتوگرافی، نازل سرتخت، پیکربندی تفاضلی -
صفحات 65-71این پژوهش به مطالعه ی تجربی تغییرات ضریب انتقال حرارت و اصطکاک در جریان های مغشوش داخل لوله با موانع مختلف اختصاص یافته است. برای بررسی تاثیر موانع، سیال عامل هوا در محدوده ی عدد رینولدز 10000 تا 20000 به کار گرفته شده است. اعتبارسازی نتایج حاصل از بستر اصلی آزمون با استفاده از معادلات موجود در مراجع معتبر، برای لوله ی صاف صورت پذیرفته است. تحریک جریان اصلی با چهار مانع مخروط، دیسک، طوقه و حلقه با نسبت سطح مقطع مانع به لوله ی یکسان)40 درصد(برای گام های مختلف موانع انجام شده است. نتایج حاصله نشان می دهد که مانع با شکل حلقه و $P/D=2$)نسبت گام به قطر(بیشترین تاثیر را در تحریک جریان اصلی و افزایش میزان انتقال حرارت دارد. همچنین مطالعات نشان می دهد که برای مانع حلقه با $P/D=2$ نسبت عدد ناسلت با تحریک به بدون تحریک)بسته به عدد رینولدز(2٫6 الی 3٫2 برابر بوده است. نتایج این تحقیق نشان گر افزایش حدودا 16 درصدی کارایی کلی ناشی از تحریک جریان اصلی برای مانع حلقه، در رینولدزهای بالاتر از 12000 است.
کلیدواژگان: انتقال حرارت تحریک شده، ضریب انتقال حرارت جابه جایی، افت فشار، جریان مغشوش -
صفحات 73-82در این مقاله، یک مدل جدید با عنوان «ناحیه ی آسیب چندخطی برای شبیه سازی شروع و رشد تورق در مواد کامپوزیتی لایه یی تحت مود I بارگذاری» ارائه می شود که اثرات سازوکارهای سخت شونده ی موجود در ناحیه ی فرایند شکست را در نظر می گیرد. در این مدل با توجه به مشخص بودن مسیر رشد ترک، برای محاسبه ی استحکام باقی مانده ی ماده در ناحیه ی فرایند شکست، از المان های فنری دارای ثابت فنر متغیر مطابق با منحنی کششٓ جدایش ماده استفاده شده است. با توجه به وجود انواع سازوکارهای سخت شونده و متفاوت بودن سطح انرژی فعال سازی هریک از سازوکارها، الگوریتم شبیه سازی ارائه شده در این مقاله امکان اعمال بخش نزولی منحنی کششٓ جدایش با هر شکل خاص)nشکست خطی(را فراهم می کند. نتایج شبیه سازی که به صورت منحنی بارٓ جابه جایی ارائه شده، با نتایج آزمایشگاهی موجود سازگاری عالی دارد و خاصیت نرم شوندگی ماده پس از گذر از نقطه ی آسیب را به خوبی نشان می دهد.
کلیدواژگان: تورق، مدل ترک مجازی، ناحیه ی فرایند شکست، منحنی R، سازوکار سخت شوندگی - یادداشت فنی
-
صفحات 83-88در این مطالعه روشی جدید برای پیاده سازی شرط مرزی فشار روی مرزهای منحنی در روش شبکه ی بولتزمن پیشنهاد شده است. در این روش که مبتنی بر برون یابی و اصل برهم نهی است، تابع توزیع روی نقطه ی مرزی به دو قسمت تعادلی و غیرتعادلی تقسیم شده است: قسمت تعادلی به کمک چگالی مشخص مرزی و برون یابی سرعت از نقاط مجاور، و قسمت غیرتعادلی نیز با استفاده از شرط کمانش محاسبه می شود. سپس مقادیر مجهول تابع توزیع در نقاط مجاور مرز، به کمک میان یابی محاسبه و طوری اصلاح می شود که فشار)چگالی(مورد نظر روی مرز اعمال شود. نتایج عددی به دست آمده نشان می دهد که روش مذکور از مرتبه ی دوم دقت است. مثال های حل شده برای حالت دوبعدی طرح شده است، اما از این روش به راحتی می توان برای مسائل سه بعدی نیز بهره مند شد.
کلیدواژگان: روش شبکه ی بولتزمن، شرط مرزی فشار، برون یابی، تابع توزیع تعادلی، تابع توزیع غیرتعادلی -
صفحات 89-94سکته ی مغزی علاوه بر خطر مرگ می تواند به بروز عوارضی ناتوان کننده نظیر اختلالات تعادلی، فلج اندام، اختلالات گفتاری و ذهنی منجر شود. این پژوهش به منظور طراحی یک ربات توان بخشی پوشیدنی برای مفصل مچ پا انجام شده است. بدین منظور ابتدا ملاحظات طراحی بررسی، و سه درجه آزادی حرکتی اصلی مورد نیاز شناسایی شد. سپس یک سازوکار کابلی معرفی شد که قادر است با استفاده از موتورهای الکتریکی و فنرهای فشاری، در کنار مجموعه یی از پولی های واسط، حرکات مورد نظر را با کم ترین وزن و حجم تامین کند. پس از طراحی اجزای ربات، عملکرد آن در محیط سیمولینک شبیه سازی و تحلیل شد. نتایج حاصله نشان داد که ربات از کارایی و ایمنی مناسب برای به کارگیری در مودهای توانبخشی مختلف، نظیر فعال و غیرفعال برخوردار است.
کلیدواژگان: ربات های توان بخشی، مفصل مچ پا، سیکل راه رفتن، پلنتارفلکشن، دورسی فلکشن، اینورشن، اورشن -
صفحات 95-105روش بدون مش محلی پتروف گالرکین (M L P G) یک روش بدون مش واقعی است که در سال های اخیر مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است. تا سال 2002 شش نوع مختلف این روش براساس تابع آزمون انتخابی معرفی شده که در میان آنها از روش 1M L P G بیش از سایر روش ها در تحلیل مسائل مهندسی کاربرد داشته است. اما در سال 2012 یک روش M L P G جامع جدید برای حل مسائل الاستواستاتیک معرفی شد. این روش قادر به یکسان سازی انواع مختلف M L P G است و بالقوه نتایج چهار نوع M L P G را در درون خود دارد. در این نوشتار برای اولین بار از روش M L P G جامع جدید برای تحلیل ورق ترک دار مدرج تابعی استفاده شده است. ضریب شدت تنش مود اول و دوم تحت تاثیر نسبت ناهمگنی، طول ترک و زاویه ی گرادیان خواص مختلف محاسبه شده و نتایج با روش مرسوم 1M L P G و حل دقیق مقایسه شده است.
کلیدواژگان: روش بدون مش محلی پتروف، گالرکین جامع (U M L P G)، مواد مدرج تابعی (F G M)، ضریب شدت تنش مود ترکیبی -
صفحات 107-115
این نوشتار پژوهشی است درخصوص طراحی بهینه ی چندموضوعی و نحوه ی به کارگیری آن در بهینه سازی سیستم های مهندسی در قالب دفاتر طراحی، براساس روش بهینه سازی مشارکتی. این روش ازجمله روش های بهینه سازی چندسطحی است که در آن مسائل به دو سطح در قالب موضوعات مختلف درگیر در مسئله تجزیه، و سپس حل می شود. چگونگی به کارگیری این روش با استفاده از حل یک مسئله ی مهندسی تحت عنوان «طراحی بهینه ی گیربکس کاهنده ی سرعت»، و با ارائه ی نحوه ی تجزیه ی مسئله، روند بهینه سازی مسئله در سطح زیرسیستم و نیز چگونگی بهینه سازی مسئله در سطح سیستم، که در اصل همان مفهوم بهینه سازی مشارکتی است، تشریح شده است. همچنین نشان داده شده که این روش شیوه یی مناسب برای حل مسائل پیچیده با فضای طراحی بزرگ، نظیر مسائل مطرح در صنعت هوافضا، در قالب دفاتر طراحی و به تفکیک زیرسیستم های مرتبط است.
کلیدواژگان: بهینه سازی، طراحی بهینه ی چند موضوعی، بهینه سازی مشارکتی -
صفحات 117-125در این نوشتار، رفتار نرم شوندگی ماده ی پلی استال (P O M) تحت بارگذاری متناوب تک محوره جابه جاییٓ کنترل مورد بررسی آزمایشگاهی قرار گرفته است. آزمایش های تجربی توسط دستگاه سروهیدرولیک اینسترون 8802 و در چهار گروه با نسبت کرنش کمینه به بیشینه ی متفاوت انجام شده است. در این آزمایش ها، کمیت های تنش میانگین، حدود تنش، شیب حلقه های هیسترزیس، چگالی انرژی کرنشی اتلافی، و دامنه ی چگالی انرژی کرنشیٓ کشسانی بررسی شده است. نتایج حاصله نشان می دهد که رهایش تنش میانگین در صورت صفربودن کرنش میانگین مقداری ناچیز است، و کرنش میانگین مثبت باعث افزایش سرعت رهایش تنش میانگین می شود. چگالی انرژی کرنشی اتلاف شده و دامنه ی چگالی انرژی کرنشی کشسانی برای انواع بارگذاری با افزایش تعداد سیکل به مقدار پایداری می رسند. همچنین چگالی انرژی کرنشی اتلافی در بارگذاری متناوب کششیٓ فشاری بیشتر از بارگذاری متناوب کششی است.
کلیدواژگان: پلی استال، رفتار نرم شوندگی، بارگذاری متناوب تک محوره، چگالی انرژی کرنشی اتلاف شده -
صفحات 127-135
در مجموعه های روباتیکی چندعضوی که در آنها اعضا تنها به اطلاعات محلی در اطراف خود دسترسی دارند، عبور از موانع و گذرگاه های باریک مستلزم حذف اتصالات بین عضوی غیرضروری است. این امر در شبکه های غیرجهت دار نیازمند توافقات بین عضوی است، که انجام آن تنها با در اختیار داشتن اطلاعات اعضای غیرهمجوار میسر خواهد بود. لازمه ی دسترسی اعضا به این گونه اطلاعات، انتقال حجم زیاد اطلاعات شبکه در بین اعضای گروه است. در این مقاله یک روش کنترل توزیع شده ی پیرو پیشرو ارائه می شود که بدون نیاز به اطلاعات اعضای غیرهمجوار، در بازه های زمانی کوتاه در برخی گره ها حرکات جهت دار اتفاق می افتد. عضوی که حرکت جهت دار انجام می دهد از بعضی اتصالات با اعضای همجوار صرف نظر می کند. نتیجه ی این حرکت ایجاد سیالیت در شبکه ی گروه است که منجر به عبور گروه از گذرگاه خواهد شد.
کلیدواژگان: مجموعه چندعضوی روبات ها، کنترل توزیع شده، عبور از مانع، شبکه ی جهت دار
-
Pages 3-13Maneuvering capability is one of the most important aspects of a ship. The rudder is often used for maneuvering, and its dimensions, type and location must be designed correctly. In the first steps of design, similar boats can be used, but, in the final steps of design, exact dimensions must be assigned. A method for achieving this is a model test, which is precise but very costly. The use of numerical simulations, such as CFD, is another method. Its precision is high and it is not costly, but it does, however, have weaknesses in complicated geometries. Rudder simulation using meshing is a time consuming and more complex procedure. Consequently, we use meshing only for the hull, but rudder forces are added by experimental and numerical equations. Software created and developed by the CFD group of Sharif University of Technology Marine Laboratory, NUMELS, is used to solve the fluid domain. It is based on the finite volume method. After the solution process, cell velocity, body orientation and body linear velocity are used to compute rudder lift and drag. Finally, rudder forces and moments are added to the pressure, viscous forces and moments. After a six degree of freedom equation solution, angular and linear accelerations are achieved, and after computation of angular and linear velocities and body motions and orientations, simulation for the current time step finishes. This method of boat and rudder simulation is fast. Compared to simulation of boats without rudders, speed loss in the solution does not exist, because time consumption for computation of rudder forces and moments relative to time consumption for boat simulation is negligible. The only problem when using this method is the accuracy of the rudder forces. The accuracy of equations used for rudder force calculations in the current research is investigated and the certainty of precision is gained.Keywords: Rudder, lift, drag, pitch angle
-
Pages 15-21In this paper, the objective is to optimize the control parameters of a parallel hybrid electric vehicle equipped with continuously variable transmissions (CVT) in SC03 driving cycle. At first, the impacts of using CVT instead of manual transmission on the fuel consumption (FC) of the vehicle are investigated, quantitatively. It is shown that by using CVT, the rotational speed of the engine is not limited by vehicle speed. Hence, the engine rpm can be determined to achieve minimum FC. Then, an algorithm is introduced to calculate the FC of the vehicle equipped with CVT, and the speed ratio of CVT is specified to minimize the vehicle FC. The model accuracy is investigated by comparing its results with manufacturer documents. An algorithm which is on the basis of a baseline static control strategy (BSC), is introduced to control the parallel hybrid electric vehicles. In this algorithm, the engine is the primary power generator, and the electric motor in conjunction with the battery, acts as an auxiliary power supply. By utilization of the introduced control algorithm, the FC of a vehicle equipped with a five-speed manual transmission is about 30% lower, compared to non-hybrid version of the vehicle. Finally, a multi-objective ptimization is accomplished to minimize both FC and the battery capacity. To multi-objective optimize the control algorithm, a method similar to PSI was exploited. In this method, at each step, an upper bound for the battery capacity is defined as a constraint, and FC as the objective function is minimized. By gradually increasing the upper bound of the battery capacity and running the algorithm, the battery capacity of the optimized system and the vehicle FC, versus the upper bound of the battery capacity, is obtained. It is found that by using the optimized control algorithm, the FC of the vehicle equipped with CVT in the SC03 driving cycle is 35% lower, compared to the application of a five-speed manual transmission, and no optimized control algorithm.Keywords: Parallel hybrid vehicle, power transmission, continuously variable transmission, control algorithm, driving cycle, multi, objective optimization
-
Pages 23-34In this paper, using the modified genetic algorithm (MGA) as an optimization method and combining it with neural networks, the nonlinear dynamics of a highly maneuverable aircraft has been modeled. Generalization has long been considered a dilemma in dynamic system identification, especially for dynamic systems with various possible inputs, like aerospace vehicles. Therefore, the focus of this paper is to obtain methods for improving generalization of neural network based aircraft models that are going to be used in aircraft simulators. Weighted connections, network architecture, and learning rules are some features that play key roles in the quality of neural network training and generalizability, in order to model nonlinear systems. Furthermore, this paper seeks to particularly focus on applying evolutionary methods to optimize the parameters of recurrent neural networks, in order to improve the identification and modeling of aircraft nonlinear dynamics. The proposed method in this study is to apply MGA. In original genetic algorithms, genetic operators are regular seeded selection, elitism, random selection, crossover, and mutation, and the appropriate fitness function is the inversed mean squared error between the network output and target. In MGA, a new operator called mutation 2 is used. This operator randomly nullifies some weights and rules them out with a very small probability. Moreover, a penalty on non-zero weights (C) must be included in the fitness function to encourage the algorithm to reach a structure with a minimum number of connections. MGA improves generalization through zeroing unnecessary weights (or connections). MGA can additionally be used to simultaneously train and optimize three different types of recurrent neural network. To further validate this study, the reported results were compared with the recorded experimentally obtained data from a fourth-generation fighter aircraft. In conclusion, the results of training with the two methods applied in this study (modified and original genetic algorithms) clearly show that the simultaneous optimization of network architecture improves neural network generalization. This, of course, imposes a cost of longer computation time and an increased number of required generations to reach the desired mean squared error for in-sample data. Thus, the optimal network has better performance in the identification and modeling of aircraft nonlinear dynamics.Keywords: Aircraft nonlinear dynamics, system identification, neural networks, optimization algorithm
-
Pages 35-40The process of upscaling is an active area of research, due to the advances made in geostatistical techniques, which allows reservoir properties, such as absolute permeability, to be described by more and more fine models. However, these detailed reservoir models cannot be used directly for numerical simulation because they require high amounts of time and memory storage capacity. As a consequence, it is necessary to coarsen detailed geological models to a scale more appropriate for reservoir simulation. The first step in upscaling is the upgridding of the original geological model. Once upgridding is completed, the reservoir properties are reassigned to the simulation grid using various property upscaling methods. An important issue in upscaling is that the upscaled model must maintain the ssential eterogeneity details of the original geological model. Moreover, the flow characteristics of the upscaled and eological models must be the same.In this study, a new and simple method for the upscaling of absolute ermeability geological models is presented. This method, based on quadtree decomposition, upscales the geological model such that the grids of the upscaled model are unstructured. In other words, in the regions of the geological model where permeability variation is high, the grids of the upscaled model remain small, but, in regions where permeability is almost uniform, the grids of the upscaled model become large. So, this method reduces the total number of grids, and results in large savings of the time and memory required for flow simulations in the reservoir. The grids of the upscaled model have different sizes and each grid may be adjacent to several grids with several arrangements. Simulation of flow through such complex upscaled models is very hard. To solve this problem, we present a new method, in which, each side of all grids reduces the number of neighbors to a maximum of 2, and facilitates discretization of the flow equations.Keywords: Upscaling, unstructured grids, quadtree decomposition, flow simulation
-
Pages 41-53An articulated heavy vehicle, in typical form, consists of two units that include a tractor and a semi-trailer. The tractor unit is controlled by the driver, and the trailer unit used to carry heavy freight is connected to the tractor unit through a mechanical coupling point called the fifth wheel. The commonly used performance measure that reflects the maneuverability capabilities of the articulated vehicle is called off tracking. It refers to the phenomenon where the rear end of the trailer unit does not closely follow the path of the tractor unit. It is important to note that the poor path-following ability increases safety concerns for the surrounding vehicle and destruction of road infrastructures. In this paper, a new method is presented to eliminate off-tracking, leading to the maneuverability improvement of the articulated heavy vehicle. A reference model generating a desired articulation angle is derived based on geometric and kinematic analysis. The tracking of the desired value ensures that the rear end of the semi-trailer unit follows the path of the fifth wheel. The inputs to the reference model are the yaw rate and the longitudinal and lateral velocity of the tractor unit, while the output is the desired articulation angle. A fuzzy controller is designed to adjust the articulation angle. The proposed controller makes the articulation angle follow the desired value by active semi-trailer steering. Furthermore, a controller is designed to adjust the tractor yaw rate through active steering of the tractor front wheels. A fourteen-degree of freedom vehicle model is developed in order to evaluate the proposed method. Computer simulations, including different maneuvers, show the significant effects of the proposed method on improving the maneuverability and stability of the articulated vehicle. Furthermore, the sensitivity of the method against errors in the input variables of the reference model is evaluated. The sensitivity analysis revealed that the proposed method is not so sensitive to errors in the variables. In low speed turning, the large error in tractor yaw rate has a major effect on system performance. However, yaw rate can be accurately measured by a typical sensor. Furthermore, the impact of different sizes of time increment on system performance is also evaluated.Keywords: Articulated vehicle, off tracking, desired articulation angle, vehicle dynamics, semi trailer steering
-
Pages 55-64A distance sensing apparatus for use in autofocus systems of laser lithography is developed. A nozzle is placed a small distance away from the photo-resist and the inside gas pressure is used as a measure of clearance. A differential circuit is chosen which consists of a measurement path of gas and a bleed line, which is used as a reference. The flow pattern of the main part, i.e. the nozzle, is explored via computational fluid dynamics, and it is shown that pressure loss in the cylindrical space between the nozzle and the sheet dominates. Moreover, available empirical correlation is shown to be valid, even in the presence of an objective lens inside the nozzle.The governing equations f ll omponents of the circuit, including the nozzle and the valves, are solved simultaneously, to yield operating pressures and flowrates. This provides a mathematical design tool that helps examine the influence of design parameters, particularly on accuracy and finding optimum values. Sensitivity is estimated by the derivative of differential pressure, with respect to clearance. It is predicted that higher pressure drop across the valve, and, to a lesser extent, the larger nozzle outer diameter, will result in improved sensitivity, while optimum inner nozzle diameter and the design point clearance are dependent on the level of drop in valve pressure. So, along with more restrictive valves, these two parameters should be chosen smaller, if higher accuracies are to be met. Provisions are also made for inlet pressure fluctuations and the gas reservoir.Experiments are conducted on a single path of the circuit and also on a constant-flow nozzle. Nozzle pressure vs. distance was recorded, showing the same trend as predicted by simulations. Experiments demonstrate that sensitivity is improved at closer distances and with more gas consumption rates. Magnification of 20mm per micron is achieved at a distance range of 50-100 microns. Results were stable and repeatable. Feasibility of the application of this low-flow device to working distance adjustment in lithography was proven.Keywords: Pneumatic sensor, lithography, flat nozzle, differential circuit
-
Pages 65-71In the subject of heat transfer enhancement, there has been considerable interest in developing heat exchangers that have high efficiency, low cost, light weight, and the smallest size possible. So, energy prices and environmental considerations are being undertaken to support attempts to create a better performance than that of existing designs. The air side heat transfer coefficient is low, so, by enhancement of the boundary layer, it must be increased. The role of inserts in internal forced convection has been widely acknowledged as a passive device in heat transfer enhancement. The study follows the heat transfer enhancement caused by insersian of an obstacle into a boundary layer inside a horizontal tube. The flow of air is heated by electrical current. The presence of an obstacle was found to increase heat transfer, sometimes without inducing turbulence, but also increases pressure drop. The results demonstrate that the model could be a useful tool for optimization of heat exchanger performance in the presence of obstacles. The use of obstacle inserts leads to a considerable increase in heat transfer and pressure drop over the smooth tube. In this study, experimental and numerical heat transfer coefficients and friction in turbulent pipe flow were carried out with different obstacles. To evaluate the effect of barriers, air as fluid, with a Reynolds number range of 5000 to 20000, has been investigated. The mainstream barrier was stimulated with four cones, discs, rings and an O-ring to prevent cross, with the same (40%) barriers for various steps. The results show that O-rings with P/D=2 have the most effect on stimulation of the main flow and the increase in heat transfer. It is also shown that by increasing the Nusselt and friction factor average ratio, respectively, 2.6-3.2 and 20-22, that the overall enhancement efficiency performance increased 16% for Reynolds numbers above 12000; enhanced by stimulation of the ainstream. The numerical results agree well with experimental results.
-
Pages 73-82In this paper, a multi- linear cohesive zone model has been proposed for simulation of mode I delamination in laminated composites. This model considers the fracture process zone (FPZ) effects in the simulation of initiation and propagation of delamination. This model takes the spring elements with variable spring constants, according to the traction- separation curve of the specimen along the crack growth, to show the residual strength of the material in the FPZ. As a result of the existence of several types of toughening mechanism with different strain energy release rates, it is required to present a procedure which covers all the fracture process zone toughening events. Therefore, in this model, unlike previous ones and commercial codes, all the possible softening behavior of the traction-separation curve is taken into account. For simulation of toughening mechanisms in the FPZ, a finite element method has been chosen as a numerical method. The material outside the FPZ has been modeled with linear elastic behavior. Since the delamination phenomenon takes place between the plies, the crack propagation path is usually known in advance. In order to find the induced loads and relative displacements, a unit load is applied, and the corresponding system of equations has been solved in a step by step procedure. In order to simulate the multi-linearity of the cohesive zone model, several springs have been considered in the crack path and the calculation followed until the last spring in the FPZ shows the final breaking point of the traction-separation curve. At the end of each step, the spring constants will be changed based on the traction-separation curve of the specimen. The results of simulation are presented in the form of load-displacement curves that are in excellent agreement with available experimental results, and correctly show the softening behavior of the material after the failure initiation.Keywords: Delamination, virtual crack model, fracture process zone, R, curve, toughening mechanism
-
Pages 83-88The Lattice Boltzmann model is an alternative kinetic based method, capable of solving hydrodynamics for various systems. Major advantages of this model lend themselves to the fact that the solution for particle distribution functions is explicit, easy to implement, and natural to be parallelized. Because the method uses a regular Cartesian lattice in space, implementation of the Dirichlet pressure boundary condition has always been a challenge for curved entities in Lattice Boltzmann simulations. The difficulty comes from the fact that the unknown boundary velocity cannot be determined on curved surfaces using common assumptions in the popular Zou-He scheme. The lack of a certain solution for flows having non-straight, constant pressure boundaries encourages the need to develop exact boundary conditions for such flows. In this paper, a method has been developed for imposing a pressure boundary condition for curved entities in the Lattice Boltzmann method. The proposed formulation is based on the so-called superposition interpolation scheme, where the unknown distribution functions of the boundary are divided into equilibrium and non-equilibrium parts. The equilibrium part is calculated based on the known value for the boundary density and the extrapolated value of the velocity. The non-equilibrium part is determined employing the bounce-back scheme. Finally, the unknown populations are corrected in such a way that the desired pressure is achieved on the surface. Fully developed flows in a 2-D channel and in a 2-D inclined channel with pressure boundary conditions at inlet and outlet are used to illustrate the accuracy of the scheme. The numerical results for the benchmark flows prove the second order accuracy of the proposed scheme. While the method is preliminarily established for 2D problems, its extension to 3D flows is quite straight forward and turns it into an efficient tool for simulating flows dealing with complex constant pressure geometries. One important industrial application of this new boundary condition is for flows through a generic packed bed involving adsorbent particles of constant surface pressure which is a subject for further investigation.
-
Pages 89-94Stroke is the third leading cause of death worldwide, after cancer and cardiac diseases. Not only it can lead to death, but its secondary complications, such as paralysis, dysarthria, and cognitive disorders, are critical for the quality of life. It has been reported that more than 30 percent of stroke patients have trouble in walking, even 6 months after recovery. In order to restore the physical functionality of such patients, and in particular their capability for performing the activities of daily living, very tough rehabilitation procedures are often required. Rehabilitation robots can facilitate these procedures for both the patient and the physiotherapist.The purpose of this research was to design a robot to facilitate the rehabilitation procedure of the ankle joint, in order to improve the efficacy of treatment, to lessen the time duration of the physiotherapy and to reduce the exhaustion level of the physiotherapist. In the design of the robot, two important ankle joint movements were considered; plantarflexion-dorsiflexion and eversion-inversion; also, the movement of the MTP joint was incorporated. Different mechanisms for erforming hese ovements were analyzed and compared and, finally, the best was chosen as a cable driven mechanisms via electrical motors. Two active and passive functional modes, which have been suggested previously for rehabilitation robots, were defined as the working modes of the robot.After performing the detailed design of the robot, its forward and inverse kinematics were analyzed. These analyses were required for different working modes of the robot, such as performing exercises or evaluating a patient. Simulation of the robot was conducted in MATLAB software, to predict how the desired motions would be performed in reality. In this simulation, both of lower limbs, with their muscles and joints, were included in the model. The results helped to predict the real working behavior of the robot. It was concluded that the robot has an acceptable level of efficacy and safety for being uses in different rehabilitation modes, e.g., active, and passive.Keywords: Rehabilitation robots, ankle joint, gait cycle, plantarflexion, dorsiflexion, eversion, inversion
-
Pages 95-105Functionally graded materials (FGMs) are a good solution for sharp interface problems between two dissimilar aterials. These materials contain a continuous, or discontinuous, gradient in composition, which can be designed to meet specific needs while providing the best use of composite components. To solve GM rack roblems, he se f omputational methods, such as FDM, FEM and MFree, is inevitable. The meshless local Petrov-Galerkin (MLPG) method is a truly meshfree method that has become of interest to many researchers in recent years.Six different types of MLPG method were introduced on the basis of different test functions. The MLPG1 is one of the most common meshless methods used to solve different types of engineering problem. In 2012, a new unified MLPG method was also introduced to solve elastostatic problems. Using this new method, four common types of MLPG can be approached, and may unify the various kinds of MLPG.In this paper, for the first time, the new unified MLPG method is used to analyze the FGM cracked plate. The stress intensity factor of Mode I and Mode II is determined under the influence of various non-homogeneity ratios, crack lengths and material gradation angles.In this method, both the moving least square (MLS) and direct methods have been applied to estimate the shape function and to impose the essential boundary conditions. The enriched weight function method is used to simulate the displacement and stress field around the crack tip. Normalized stress intensity factors are calculated using the path independent integral, J*, which is formulated for the non homogeneous material. The FGM edge-cracked plate is considered here and analyzed under uniform membrane and uniform fixed grip conditions with the new MLPG method, and the results compared with common MLPG1 and the exact solution.With this new method, results show higher accuracy compared to MLPG1. The present method may thus be substituted for common MLPG approaches to solve such problems.
-
Pages 107-115
M u l t i d i s c i p l i n a r y d e s i g n o p t i m i z a t i o n (M D O), a n d i t s a p p l i c a t i o n f o r o p t i m i z i n g e n g i n e e r i n g s y s t e m s i n t h e f o r m o f d e s i g n o f f i c e s b a s e d o n c o l l a b o r a t i v e o p t i m i z a t i o n, i s u n d e r t a k e n i n t h i s r e s e a r c h. I n r e c e n t d e c a d e s, h e u l t i d i s c i p l i n a r y D e s i g n O p t i m i z a t i o n m e t h o d h a s b e e n d e v e l o p e d f o r c o m p l e x s y s t e m s a s a n e w f i e l d o f e n g i n e e r i n g d e a l i n g w i t h o p t i m i z a t i o n m e t h o d s a n d m o d e r n d e s i g n. T h i s m e t h o d o l o g y w a s f i r s t i n t r o d u c e d i n 1991, w h e n S u b i s k y w r o t e a n i n s p i r i n g a r t i c l e o n m u l t i d i s c i p l i n a r y d e s i g n o p t i m i z a t i o n a s a n e w d e s i g n m e t h o d c a p a b l e o f m e e t i n g t h e n e e d s o f t h e d e s i g n e r. T h u s, t h e S u b i s k y a r t i c l e c a n b e s e e n a s t h e s t a r t i n g p o i n t i n a p p l i c a t i o n o f m u l t i d i s c i p l i n a r y d e s i g n o p t i m i z a t i o n t o e n g i n e e r i n g p r o b l e m s. a n d i s s t i l l r e f e r r e d t o i n t h e m a j o r i t y o f s c h o l a r l y a r t i c l e s, T h e v a r i e t y o f d i s c i p l i n e s i n v o l v e d i n e n g i n e e r i n g d e s i g n, e s p e c i a l l y i n t h e a e r o s p a c e i n d u s t r y, a l o n g w i t h i n t e n s e c o m p e t i t i o n i n t h e i n t e r n a t i o n a l m a r k e t p l a c e, h a s f o r c e d d e s i g n e r s t o e m p l o y m u l t i d i s c i p l i n a r y d e s i g n m e t h o d s, a n d t o g i v e m o r e a t t e n t i o n t o o p t i m i z a t i o n a s a n i n e v i t a b l e n e c e s s i t y i n t o d a y's e n g i n e e r i n g d e s i g n. M u l t i d i s c i p l i n a r y d e s i g n o p t i m i z a t i o n i s o f v a s t s c o p e, c o v e r i n g a l l d e s i g n o p t i m i z a t i o n m e t h o d s, s e n s i t i v i t y a n a l y s i s, a p p r o x i m a t e c o n c e p t s, d a t a p r o c e s s i n g a n d m a n a g e m e n t m e t h o d s, a n d s t r a t e g i e s, a d d r e s s i n g m u l t i p l e d i s c i p l i n e s a n d t h e i n t e r r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n t h e m i n a n i n t e g r a t e d d e s i g n s t r u c t u r e. O n e o f t h e v a r i o u s m u l t i d i s c i p l i n a r y o p t i m i z a t i o n m e t h o d s i s t h e c o l l a b o r a t i v e o p t i m i z a t i o n m e t h o d. T h i s i s a m u l t i-l e v e l o p t i m i z a t i o n m e t h o d w h i c h f i r s t s e p a r a t e s t h e p r o b l e m s i n t o t w o d i s t i n c t l e v e l s, a c c o r d i n g t o t h e d i s c i p l i n e s i n v o l v e d, a n d t h e n s o l v e s t h e m. T h i s m e t h o d s o l v e s a n e n g i n e e r i n g p r o b l e m, c a l l e d t h e o p t i m u m d e s i g n o f a S p e e d R e d u c e r g e a r u n i t, a n d p r o v i d e s a p r o b l e m a n a l y z i n g m e t h o d, a p r o b l e m o p t i m i z a t i o n p r o c e d u r e a t d i s c i p l i n e l e v e l, a n d p r o b l e m o p t i m i z a t i o n a t t h e s y s t e m l e v e l. A l s o, i t i s i l l u s t r a t e d t h a t t h i s m e t h o d i s a n a p p r o p r i a t e t e c h n i q u e f o r s o l v i n g c o m p l i c a t e d p r o b l e m s w i t h l a r g e d e s i g n s p a c e. T h e s e i n c l u d e p r o b l e m s i n t r o d u c e d i n t h e a e r o s p a c e i n d u s t r y i n t h e f o r m o f d e s i g n o f f i c e s a n d t h e i r d i v i s i o n i n t o r e l a t e d d i s c i p l i n e s. T h e p u r p o s e o f t h i s a r t i c l e i s t o e l a b o r a t e o n t h e m e t h o d i n q u e s t i o n, i n c l u d i n g t h e w a y i t i s u s e d i n t h e w o r k c y c l e o f d e s i g n o f f i c e s, a n d d e m o n s t r a t e, v i a a n a c t u a l p r o b l e m s o l v i n g p r o c e d u r e, h o w i t c a n b e e m p l o y e d t o s o l v e c o m p l i c a t e d e n g i n e e r i n g p r o b l e m s.
Keywords: Optimization, multidisciplinary design optimization, collaborative optimization -
Pages 117-125In this paper, the softening behavior of polyacetal (POM) under strain-controlled cyclic axial loading is studied. All experimental tests were performed in four groups with different ratios of minimum to maximum strains by a servo-hydraulic INSTRON 8802 machine, to a specified number of cycles. The system was attached to a computer for test control, as well as for data acquisition. For each selected loading cycle, the computer acquired 100 data points per cycle, and those data can be used for further analysis. In these tests, quantitative parameters of mean stress, stress range, slope of stress-strain hysteresis loops, dissipated strain energy density, and elastic strain energy density amplitude have been investigated. The mechanical properties of specimens were determined according to simple ten sion and compression tests. It is observed that there is different behavior in compression and tension for polyacetal. Under displacement control loading, softening behavior is observed. The results showed that relaxation of mean stress was negligible under cyclic loading with zero mean strain, and due to positive mean strain, the rate of relaxation of mean stress increased. Minimum compressive strain caused the stress range to be steady, and the rate of stress range became zero. Dissipated strain energy density and elastic strain energy density amplitudes have been stabilized with an increasing number of cycles for all types of loading. Also, dissipated strain energy density under tension-compression cyclic loading is higher than that under tension cyclic loading. The hysteresis loop slope is the gradient of the line that connects the extreme points of the hysteresis loop together. At the same ratio of minimum to maximum strain, the hysteresis loop slope is lower at any cycle for higher strain amplitude and higher mean strain. Also, it is observed that the maximum rate of hysteresis loop slope occurs under symmetric displacement control loading, with the ratio of minimum to maximum strain equal to -1.Keywords: Polyacetal, softening behavior, cyclic axial loading, dissipated strain energy
-
Pages 127-135
In practice, agents of a multi-agent system usually access local information. In a real world example, agents must be able to move through obstacles while the connectivity of the group is maintained. Moving through obstacles needs network flexibility, in which, in an undirected network graph, unnecessary inter-agent connections must be ignored; this needs consensus between agents. In order to reach such a consensus, every agent needs information regarding its neighbors, or, at least, the neighbors of neighbors. Assuming a large scale multi-agent system, the huge amount of information exchange in a network is a serious problem. In this paper, an undirected network graph is presented, which is capable of switching to a directed graph, if needed. Nodes in this graph can perform directional movements, while they only use very local data. Hence, for moving through narrow gates, the network howsconsiderableflexibility. Since, in this method, decisions are only made based on every agent's local data, data traffic will not occur, which is a significant point in a practical large scale multi-agent system. It is important to note that in a moving frame with limited communication, agents cannot even recognize the forward direction. Every agent monitors the relative position of its neighbors; network configuration in its neighborhood is the only information available. Recognition of the forward direction depends on the distance and relative position of neighbors. According to the method, if an agent can define one of its neighbors as a leader, it will then show directional movements towards it. It means that the number of other agents and their attraction cannot prevent it from moving towards its leader. In order to prevent total disconnection, an additional algorithm prevents the agent from getting too far away from its following members. Note that every node does not necessarily show directional movement.
©2000-2024 magiran.com All Rights Reserved.