فهرست مطالب

مهندسی مکانیک مدرس - سال بیست و سوم شماره 11 (آبان 1402)

نشریه مهندسی مکانیک مدرس
سال بیست و سوم شماره 11 (آبان 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/08/28
  • تعداد عناوین: 6
|
  • سعید دیناروند*، بهزاد جباری پور صفحات 577-585

    در تحقیق جاری تاثیر پارامترهای عمق و سرعت برشی بر توپوگرافی سطح ماشینکاری، تغییرات ریزسختی و ریزساختاری در سطح مقطع عرضی قطعات تراشکاری شده تحت حالات خشک، تر، روانکاری کمینه (MQL)  و خنک کاری کرایوژنیک (CO2)، روی فولاد ضدزنگ 304 L بررسی شده است. منشاء اصلی عیوب در توپوگرافی سطوح ماشینکاری، تشکیل لبه انباشته روی سطح ابزار و جدا شدن مجدد آن بود، همچنین افزایش سرعت برشی باعث ناپایداری در تشکیل لبه انباشته و در نتیجه کاهش حجم توده لبه انباشته می گردد. در بحث بهبود توپوگرافی سطح ماشینکاری شده، به ترتیب اولویت، تاثیر روش های MQL، تر و کرایوژنیک، نسبت به روش خشک، از بیشترین تا کمترین بوده است. برش عرضی از نمونه های ماشینکاری شده تهیه و مشاهده گردید که مقدار سختی زیرسطحی نمونه ها با فاصله گرفتن از سطح تا حداکثر 34% کاهش می یابد و به سختی ماده پایه قطعه کار نزدیک می شود. میزان سختی در سطح مقطع عرضی نمونه های ماشینکاری شده، ارتباط مستقیم با کارسختی به وجود آمده بر اثر تغییر شکل پلاستیک شدید روی سطح قطعه دارد. با افزایش سرعت برشی، شدت تغییر شکل پلاستیک در قطعه نیز افزایش یافته و میزان سختی در زیر سطح بیشتر می شود. فرآیندهای خنک کاری و روانکاری مختلف تاثیر مستقیم بر ضخامت لایه تغییر شکل یافته ریزساختاری دارد. تحت بیشترین مقدار سرعت برشی استفاده شده در تحقیق جاری، حداکثر کاهش ضخامت لایه تغییر شکل یافته ریزساختاری در حالات کرایوژنیک و روانکاری کمینه نسبت به حالت خشک، به ترتیب برابر با 62% و 28% بوده است.

    کلیدواژگان: فولاد ضدزنگ 304 L، تراشکاری، یکپارچگی سطح، میزان روانکاری کمینه، کرایوژنیک
  • مجید الیاسی*، مقداد روح الامینی آهنگر، وحید مدانلو صفحات 587-595

    لوله های جدارنازک نقش بسزایی در افزایش قابلیت جذب انرژی در سیستم های جاذب انرژی دارند. لوله های جدارنازک سوراخ دار به دلیل سهولت تولید و عدم پیچیدگی هندسه گزینه مناسبی برای استفاده در این سیستم ها می باشند. در این مقاله، یک الگوی هندسی جدید برای لوله های جدارنازک سوراخ دار استوانه ای از جنس آلیاژ آلومینیوم 6061 جهت بهبود ویژگی های جذب انرژی ارایه شده است. به این منظور، از روش طراحی آزمایش تاگوچی برای یافتن سطوح بهینه پارامترهای هندسی لوله جهت دستیابی به بیشینه نسبت انرژی به وزن و کمینه کرنش معادل موثر استفاده شده است. تعداد ردیف سوراخ ها، تعداد سوراخ در هر ردیف، قطر سوراخ کوچک و ضریب قطر سوراخ کوچک به عنوان پارامترهای هندسی (ورودی) لوله ها در نظر گرفته شدند. نیروی اولیه لهیدگی، انرژی جذب شده کل، نسبت انرژی به وزن و نسبت نیروی بیشینه اولیه به نیروی متوسط برای چیدمان های بهینه با هم مقایسه شدند. بررسی نتایج نشان داد که چیدمان سوراخ ها به صورت یکی درمیان با 3 ردیف سوراخ، 8 سوراخ در هر ردیف، قطر سوراخ کوچک 5 میلی متر و ضریب قطر 2/1 (قطر بزرگ 6 میلی متر) منجر به بهترین نتیجه جذب انرژی خواهد شد.

    کلیدواژگان: جذب انرژی، لوله های جدار نازک سوراخ دار، پارامترهای هندسی، بارگذاری محوری
  • سید محمدحسین توکلی*، امیررضا شاهانی صفحات 597-606

    مواد سرامیکی به دلیل حفظ استحکام در دمای بالا، انبساط حرارتی کم و مقاومت عالی در برابر فرسایش برای کاربردهای سازه ای، مناسب هستند. با این حال، سازه های سرامیکی عموما ترد هستند و به دلیل عیوب ذاتی که می توانند از طریق ساخت، جابجایی یا در حین سرویس وارد آن ها شوند، بشکنند. در نمونه های آزمایش استحکام مواد سرامیکی، استحکام مشاهده شده به حجم نمونه و روش آزمایش بستگی دارد و نتایج دارای پراکندگی قابل توجهی هستند. از طرفی تشخیص تغییرپذیری استحکام مواد سرامیکی برای طراحی سازه ای، مهم است و در فرایند طراحی این تغییرپذیری معمولا نیاز به یک معیار واماندگی با مبنای احتمالاتی دارد که با توجه به شکست ترد سرامیک ها، معمولا از توزیع ویبول برای بیان استحکام آن ها استفاده می شود. به کمک توزیع ویبول، مفهوم حجم موثر تعریف می شود و با استفاده از آن استحکام یک نمونه ی آزمایش با هندسه و بارگذاری مشخص از نمونه ی دیگری که هندسه و بارگذاری متفاوتی دارد پیش بینی می گردد. در این پژوهش معادله ی حجم موثر برای یک قطعه ی سرامیکی با هندسه ی مخروط ناقص تحت فشار داخلی به روش تحلیلی به دست آمده است. با داشتن حجم موثر برای این پیکربندی و با تعداد کافی آزمایش استحکام به کمک نمونه های کوچک و کم هزینه ی خمشی، می توان استحکام کششی قطعه ی سرامیکی مخروطی را بدون انجام آزمایش های متعدد و پر هزینه پیش بینی نمود. همچنین برای مخروط ناقصی با جنس و ابعاد مشخص، حجم موثر به صورت عددی نیز محاسبه گردید و نسبت به مقدار تحلیلی 3% خطا داشت.

    کلیدواژگان: حجم موثر، سرامیک، مخروط ناقص، توزیع احتمالاتی ویبول، استحکام
  • ریحانه مرادی حقیقت، مصطفی رستمی*، محمد علی قاسمی، زهره مینوش کهندانی صفحات 607-614

    هدف از این مطالعه توسعه یک دستگاه دستیار جراح جدید قابل استفاده در جراحی همجوشی ستون فقرات باز برای بهبود دقت نقطه ورودی است.
    ما یک دستگاه جدید به نام Surgeon Assistant Pedicle Detector (SA_PeD) را توسعه دادیم. با استفاده از مراحل برنامه ریزی، ثبت و ردیابی قبل از عمل، نقطه ورود دقیق برای قرار دادن پیچ پدیکل را تشخیص داده و به جراح نشان می دهد.

    نتایج

    این آزمایش ها توسط هشت اپراتور و هر یک از آنها روی پنج مهره با دو سوراخ انجام شد. نتایج نشان می دهد که میانگین خطای موقعیت 0.26±0.52 میلی متر است. تکرارپذیری و تکرارپذیری دستگاه نیز گزارش شده است که چشمگیر است. دستگاه نیز مستقل از اپراتور است و برای همه اپراتورها نتیجه یکسانی دارد.

    نتیجه گیری

    با توجه به اینکه به حداکثر رساندن دقت، هزینه ها را به طور تصاعدی افزایش می دهد، بنابراین دستگاه در مقایسه با سایر سیستم های رباتیک و ناوبری گران قیمت مقرون به صرفه بوده و تعداد خطاها را تا حد زیادی کاهش می دهد. این دستگاه همچنین فضای کمی را در اتاق عمل اشغال می کند و یادگیری استفاده از آن برای جراح آسان است.

    کلیدواژگان: فیوژن ستون فقرات، پیچ پدیکل، دستیار جراح، به کمک کامپیوتر
  • حمیدرضا کاویانی*، احسان بشتالم صفحات 615-626

    انجام محاسبات صحیح ایروآکوستیکی مستلزم پیش بینی صحیح رفتار گردابه های جریان است. قدرت گردابه ها را می توان با هزینه کمتر (کا-امگا اس.اس.تی) مدل نمود یا با هزینه بیشتر (با ال.ای.اس) تا 90 درصد بصورت مستقیم شبیه سازی کرد. روش ترکیبی نیز با نام آی.دی.دی.ای.اس با دقت و هزینه میانی وجود دارد. در این پژوهش دقت این سه روش در محاسبه صوت ایرفویل ناکا-0012 در جریان برشی همگن و زاویه حمله 8/10 درجه مورد بررسی قرار گرفته است. دو مکانیسم 1-ریزش گردابه از لایه مرزی آرام و تداخل آن با لبه فرار و 2-امواج تولمن-شلیختینگ از عوامل اصلی ایجاد صوت در این تحقیق شناخته شدند. سطح فشار صوت در بازه یک سوم اکتاو با داده های تجربی مورد اعتبارسنجی قرار گرفته است. ابتدا نتایج روش ال.ای.اس و سپس آی.دی.دی.ای.اس از نظر مقدار و روند تغییرات بهترین انطباق را با داده های تجربی نشان داده است. در بررسی شدت تضعیف صوت با فاصله مشخص شد که بخاطر نقش موثر گردابه های کوچک در صوت ال.ای.اس، و تضعیف سریع آنها با افزایش فاصله تا 2/1 متر، سطح فشار صوت در روش ال.ای.اس و آی.دی.دی.ای.اس تقریبا برابر شده اند. با توجه به اینکه روش آی.دی.دی.ای.اس نیاز به مقررات سخت گیرانه برای فاصله های بی بعد Δ x +  و Δ z +  در نواحی نزدیک دیواره ندارد، این انتخاب باعث کاهش حدود 41 درصدی حجم شبکه محاسباتی در ازای کمتر از 2 دسیبل خطا گردیده است. بنابراین در کابردهای صنعتی مشابه می توان با تقریب مناسبی از روش آی.دی.دی.ای.اس به جای ال.ای.اس برای افزایش سرعت محاسبات و انجام مطالعه پارامتری استفاده نمود.

    کلیدواژگان: ایروآکوستیک، کا-امگا اس.اس.تی، آی.دی.دی.ای.اس، ال.ای.اس
  • حسین محمودی داریان* صفحات 627-639

    در مقاله حاضر یک بررسی بر موازی سازی چند حلگر تکراری دستگاه معادلات خطی حاصل از گسسته سازی معادله پواسون به روش تفاضل محدود انجام می شود. به طور خاص روش های تکراری فوق تخفیف گاوس سایدل نقطه ای و خطی و همچنین روش های گرادیان مزدوج و گرادیان دومزدوج پایدار شده بررسی می گردد. برای روش های فوق تخفیف از ضریب فوق تخفیف بهینه استفاده می شود. موازی سازی ابتدا برای یک پردازنده مرکزی چند هسته ای با زبان برنامه نویسی سی پلاس پلاس و کتابخانه اپن ام پی و سپس برای یک پردازنده گرافیکی با زبان برنامه نویسی کودا صورت می گیرد. نتایج حاصل از حل معادله دو بعدی و همچنین معادله سه بعدی نشان می دهد روش های گرادیان مزدوج در بیشتر موارد به علت تعداد تکرار کمتر زمان اجرای کمتری دارند. بررسی زمان اجرای روش های مختلف نشان می دهد در یک پردازش 8 هسته ای نسبت به حالت تک هسته ای، افزایش سرعتی تا حدود 10 و 5 برابر به ترتیب در حل معادلات دو بعدی و سه بعدی حاصل می گردد. علاوه بر آن، استفاده از پردازنده گرافیکی نسبت به حالت 8 هسته ای موجب افزایش سرعت بین 5 تا 10 برابر می شود.

    کلیدواژگان: پردازش موازی، کودا، فوق تخفیف، روش گرادیان مزدوج، معادله پواسون
|
  • Saeed Dinarvand*, Behzad Jabbaripour Pages 577-585

    In the current research, the effect of cutting depth and speed on surface topography, microhardness and microstructural changes in cross-sectional surface of turned parts under dry, wet, MQL and cryogenic cooling (CO2) conditions, on 304L stainless steel has been investigated. The main origin of surface topography defects was the formation of built up edge (BUE) on the cutting tool and its removal again. Also, the increase in cutting speed causes instability in the formation of BUE, as a result the volume of accumulated BUE decreases. Considering the improvement of surafce topography, in the order of priority, the efficiency of MQL, wet and cryogenic methods has been from the highest to the lowest compared to the dry method. the cross section of machined samples were prepared and it was observed that subsurface hardness of the samples decreases with the distance from the surface up to 34% and approaches the hardness of the bulk material. The hardness value in cross section of machined samples is directly related to the work hardening caused by severe plastic deformation on machined surface.With increase of cutting speed, the intensity of plastic deformation increases and the hardness under the surface increases. Different cooling and lubrication processes have a direct effect on thickness of the microstructural deformed layer. Under the highest value of cutting speed used in this research, the maximum reduction in thickness of the deformed layer of the microstructure in cryogenic and MQL conditions compared to the dry mode was equal to 62% and 28%, respectively

    Keywords: 304L Stainless Steel, Turning, Surface Integrity, Minimum Quantity Lubrication, Cryogenic
  • Majid Elyasi*, Meghdad Rooholamini Ahangar, Vahid Modanloo Pages 587-595

    Thin-walled tubes play a significant role in increasing the energy absorption in energy absorbing systems. Holed thin-walled tubes are a suitable option for use in these systems due to the ease of production and the lack of geometry complexity. In this paper, a new geometric pattern for holed thin-walled cylindrical tubes made of aluminum alloy 6061 is presented, to improve the energy absorption characteristics. To this aim, the Taguchi design of experiment method has been used to find the optimal levels of the geometrical parameters of the tube to achieve the maximum energy-to-weight ratio and the minimum effective equivalent strain. The number of rows of holes, the number of holes in each row, the diameter of the small hole and the diameter coefficient of the small hole were considered as the geometric (input) parameters of the tubes. The initial crushing force, the total absorbed energy, the ratio of energy to weight and the ratio of the maximum initial force to the average force were compared for the optimal layouts. Examining the results showed that the arrangement of the holes in the middle with 3 rows of holes, 8 holes in each row, diameter of the small hole of 5 mm and the diameter coefficient of 1.2 (the large diameter is 6 mm) will lead to the best energy absorption result.

    Keywords: Energy absorption, Holed thin-walled tubes, Geometrical parameters, Axial loading
  • Seyed Mohammad Hossein Tavakoli*, Amir Reza Shahani Pages 597-606

    Ceramic materials are desirable in structural applications because of their strength at high temperatures, low thermal expansion, and excellent wear resistance. However, ceramic structures are generally brittle and will fail due to inherent flaws that can be introduced into the material through processing, handling, or while in service. In the strength test samples of ceramic materials, the observed strength depends on the sample volume and the test method, and the results have significant scattering. On the other hand, it is important to recognize the variability of the strength of ceramic materials for structural design, and in the design process, this variability usually requires a probability-based failure criterion, which, due to the brittle fracture of ceramics, usually uses the Weibull distribution to represent their strength. With the help of Weibull distribution, the concept of effective volume is defined and by using it, the strength of a test sample with a specific geometry and loading is predicted from another sample that has a different geometry and loading. In this research, the effective volume for a truncated cone under internal pressure has been derived analytically. With the effective volume for this configuration and a sufficient number of flexural strength tests with the help of small and low-cost flexural specimens, it is possible to predict the tensile strength of the ceramic truncated cone without conducting expensive tests. for a problem with a specific material property and dimensions, the effective volume was calculated numerically and it had a 3% error compared to the analytical value.

    Keywords: Effective Volume, Ceramics, Truncated Cone, Weibull Distribution, Strength
  • Reyhane Moradihaghighat, Mostafa Rostami*, Mohammad Ali Ghasemi, Zohreh Meynoush Kohandani Pages 607-614
    Background

    The purpose of this study is to develop a new surgeon assistant device applicable in open spinal fusion surgery to improve the accuracy of the entry point for pedicle screw insertion position.

    Methods

    We developed a new device named Surgeon Assistant Pedicle Detector (SA_PeD). SA_PeD detects and shows the accurate entry point for pedicle screw insertion to the surgeon, by using preoperative planning, registration and tracking phases.

    Results

    The tests were made by eight operators and each of them on five vertebrae with two holes. The results show that the average position error is 0.52±0.26mm. Repeatability and reproducibility of device is also reported which is impressive. The device is also independent of the operator and has same result for all operators.

    Conclusions

    Considering that maximizing the accuracy, increases costs exponentially, so the device is cost effective in comparison to other expensive robotic and navigation systems and greatly reduces the number of errors. The device also occupies little space in the operating room and is easy to learn for the surgeon to use it.

    Keywords: Spinal fusion, Pedicle screw, Surgeon-assistant, Computer-assisted
  • Hamidreza Kaviani*, Ehsan Bashtalem Pages 615-626

    This study examines the accuracy of three different methods for calculating the aerodynamic noise of the NACA-0012 airfoil in a homogeneous shear flow. The strength of flow vortices is crucial in aeroacoustic calculations, and it can be modeled more cost-effectively using the k-ω SST method or directly simulated up to 90% using large eddy simulation (LES) with higher cost. Additionally, a hybrid method called IDDES, which offers moderate accuracy and cost, is also considered in this research. The primary sources of noise generation identified are vortex shedding from the laminar boundary layer and its interference with the trailing edge, as well as Tollmien-Schlichting waves. Experimental data of the sound pressure level (SPL) in 1/3 octave is used to validate the accuracy of the methods. The results indicate that LES and IDDES show the closest agreement with the experimental data, with LES showing better accuracy. Furthermore, when studying the intensity of sound attenuation with distance, it is observed that the rapid attenuation of small vortices in LES leads to similar SPLs as IDDES after a distance of 1.2 meters. Moreover, since IDDES does not require strict regulations for creating a near-wall grid, it reduces the computing mesh by approximately 41% with less than 2 dB of error. This finding suggests that in similar applications, the IDDES method can be used as a suitable approximation instead of LES to expedite calculations and conduct parametric studies

    Keywords: Aeroacoustics, K-ω SST, IDDES, LES
  • Hossein Mahmoodi Darian * Pages 627-639

    In the present article, a survey is carried out on the parallelization of several iterative solvers of the system of linear equations resulting from the discretization of the Poisson equation using the finite difference method. In particular, the point and line Gauss-Seidel successive over-relaxation methods, as well as the conjugate gradient and stabilized biconjugate gradient methods are investigated. For the over-relaxation methods, the optimum over-relaxation coefficient is used. The parallelization is first carried out on a multi-core central processor using C++ programming language and the OpenMP library, and then for a graphics processing unit using CUDA programming language. The results show, for both the two-dimensional and three-dimensional equations, the conjugate gradient methods due to a smaller number of iterations, have less computation time. Comparing the execution time of the different methods shows that for an 8-core processing, speedups of about 10 and 5 are achieved for the two- and three-dimensional equations, respectively. Furthermore, using a graphics processing unit leads to speedups between 5 and 10 in comparison to the 8-core processing.

    Keywords: Parallel Processing, CUDA, Underrelaxation, Conjugate Gradient Method, Poisson Equation