فهرست مطالب

مهندسی مکانیک امیرکبیر - سال پنجاه و پنجم شماره 12 (اسفند 1402)

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و پنجم شماره 12 (اسفند 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/12/19
  • تعداد عناوین: 6
|
  • عباس مکبری، مصطفی نظری، سید مجتبی واردی کولایی* صفحه 1

    مساله طراحی مکانیزم های چهارمیله ای، به عنوان ساده ترین و پرکاربردترین مکانیزم میله ای، همواره یکی از مسائل اساسی مطرح شده در حوزه طراحی مکانیزم می باشد. امروزه با پیشرفت تکنولوژی و ابداع روش های بهینه سازی عددی و الگوریتم های فراابتکاری، امکان حل دقیق و بهینه مسائل با تعداد نقاط دقت بسیار بالا نیز فراهم شده است. سنتز تولید مسیر این مکانیزم نیز با استفاده از الگوریتم های بهینه سازی مختلف و در حالت های متنوع طراحی حل شده است. برای درنظر گرفتن سرعت مکانیزم در عبور از نقاط دقت، مساله سنتز با زمان بندی معین در نظر گرفته می شود، که این مساله نسبت به مساله بدون زمان بندی معین سخت تر بوده و دارای خطای تولید مسیر بالاتری می باشد. در این پژوهش، برای حل مساله سنتز تولید مسیر مکانیزم چهارمیله ای با زمان بندی معین از تابع هدف جدیدی استفاده می شود که شامل دو جمله، خطای مسیر و خطای زاویه گیری، می باشد. استفاده از این تابع هدف جدید موجب کاهش خطای تولید مسیر برای مساله با زمان بندی معین می-شود. برای رسیدن به تابع هدف مدنظر، چهار حالت مختلف طراحی در نظر گرفته شده و نتایج آن ها، که با استفاده از الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات استخراج شدند، با هم مقایسه می شوند. نتایج حل این مساله برای سه مثال عددی با تعداد نقاط دقت مختلف نشان می دهد طراحی در حالت چهارم، که براساس تابع هدف جدید می-باشد، نسبت به همه حالات قبلی خطای تولید مسیر کمتری دارد.

    کلیدواژگان: مکانیزم چهارمیله ای، سنتز تولید مسیر، زمان بندی معین، الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات
  • حامد پورهاشم، علی جمالی*، نادر نریمان زاده، علی چائی بخش صفحه 2

    عیب یابی سیستم های مکانیکی برای عملکرد بهتر سیستم و همچنین محافظت از آن، دارای اهمیت ویژه ای می باشد. در این پژوهش از یک سیستم آزمایشگاهی ماشین دوار برای تولید سیگنال و داده استفاده شده است. داده های بدست آمده در فرآیند پیش پردازش قرار می گیرند. در این مقاله برای بهبود عملکرد تحلیل سیگنال روش ترکیبی تحلیل با استفاده از ویژگی های سیگنال و فیلتر کالمن پیشنهاد می شود. در ابتدا برای کاهش نویز سیگنال ها از فیلتر کالمن استفاده می شود. و در ادامه برای پیش پردازش سیگنال ویژگی های سیگنال در حوزه زمان و حوزه فرکانس پیشنهاد می شود که از آن به عنوان پیش پردازش یک بعدی سیگنال استفاده شده است. در ادامه برای تحلیل ویژگی های بدست آمده از کلاس بندهای متعددی مانند ماشین بردار پشتیبان ، شبکه عصبی پرسپترون چند لایه و شبکه عصبی پیچشی استفاده شده است. برای بررسی نتایج داده ها به دسته داده های آموزشی و داده های صحت سنجی تقسیم بندی می شود. نتایج دقت برای داده های صحت سنجی در روش های مختلف مورد بررسی قرار می گیرد. نتایج حاکی از عملکرد بهتر شبکه عصبی پیچشی الکس نت در حضور فرآیند نویز زدایی با فیلتر کالمن می باشد. در این حالت به طور میانگین این شبکه به دقت 96.1 درصد برای داده های صحبت سنجی رسیده است که نسبت به سایر کلاس بندها و همچنین نسبت به عیب یابی بدون کاهش نویز، دقت آن بهبود داده شده است.

    کلیدواژگان: عیب یابی ماشین دوار، کاهش نویز، فیلتر کالمن، شبکه عصبی، پردازش سیگنال
  • حجت اله طواری، محمد مهدی جلیلی بهابادی* صفحه 3

    زبری سطح از جمله مشخصه های بسیار مهم در محصولات نانوماشینکاری می باشد. یکی از پارامترهایی که همواره تاثیر زیادی بر کیفیت سطح داشته، نیروهای ناشی از فرایند نانوبراده برداری می باشد. در این پژوهش، با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی در نرم افزار لمپس، فرایند نانوشخم زنی دینامیکی قطعه کاری از جنس مس تک بلوری به وسیله ابزاری از جنس الماس بررسی شده و کیفیت سطح تولیدی و نیروهای براده برداری مورد بررسی قرار گرفته است. اثر پارامترهای فرایند نانوشخم زنی دینامیکی همچون عمق براده برداری (DOC)، دامنه (R) و فرکانس (ω) نوسان ابزار براده برداری بر روی نیروی براده برداری و زبری سطح با محاسبه زبری میانگین (Ra) بررسی شده است. همچنین به منظور بررسی دقیقتر تاثیر پارامترها و اثر متقابل آنها بر یکدیگر از روش تاگوچی برای طراحی آزمایش ها استفاده شده است. نتایج شبیه سازی نشان داده است که به ترتیب مشخصه های عمق براده برداری، دامنه و فرکانس نوسان ابزار براده برداری بیشترین تاثیر بر روی صافی سطح و نیروهای براده برداری دارند. براساس نتایج ارائه گردیده، مشخص شده است که زبری سطح در شرایط ماشین کاری مختلف بر اساس انتخاب پارامترها می تواند بهبود یابد و لازم است قبل از انتخاب این پارامترها، شرایط آنها در کنار یکدیگر به خوبی بررسی گردند. همچنین، در نهایت با استفاده از روش تاگوچی، مقادیر بهینه پارامترهای شخم زنی دینامیکی برای دستیابی به بهترین صافی سطح و کمترین نیروی براده برداری در ابعاد مشخص به شرحDOC=2.5 ، R=0.1 و =50 KHzω بدست آمد.

    کلیدواژگان: شخم زنی دینامیکی، روش دینامیک مولکولی، زبری سطح، روش تاگوچی، مس تک بلوری
  • حامد کوهی گیلوان*، اسماعیل سلحشور صفحه 4

    این مقاله به بررسی تعقیب ربات رهبر توسط خودرو خودران و مساله اجتناب از برخورد با موانع می پردازد. در این مقاله همانند یک خودرو واقعی، ابعاد هندسی، جرم و گشتاور اینرسی برای خودرو در نظر گرفته شده است. گشتاور فرمان و گشتاور چرخ محرک، دو ورودی کنترل هستند. معادلات دینامیک غیرخطی وسیله نقلیه استخراج شده است. ابتدا الگوریتمی برای تغییر جهت وسیله نقلیه برای تعقیب رهبر پیشنهاد می شود که به منظور قرارگیری جهت خودرو در جهت مناسب برای تعقیب ربات رهبر طراحی شده است. پس از آن مسیر مناسب برای اجتناب از برخورد با موانع ساکن متعدد و تعقیب رهبر ارائه می گردد و سپس از یک کنترل کننده پیش بین مدل غیرخطی برای دنبال کردن مسیر مرجع استفاده می شود. الگوریتم طراحی مسیر بر اساس تئوری باند الاستیک بوده که عملکرد بسیار خوبی برای عدم برخورد با موانع متعدد و تعقیب ربات رهبر دارد. عملکرد سیستم حلقه بسته از طریق شبیه سازی نشان داده شده است. اگرچه خودرو دارای اینرسی است و قیود غیرهولونومیک دارد، شبیه سازی ها نشان می دهند که دو روش طراحی مسیر با طرح کنترل کننده پیش بین مدل به خوبی کار می کند.

    کلیدواژگان: خودرو خودران، جلوگیری از برخورد با موانع متعدد، قید غیرهولونومیک، طراحی مسیر، کنترل پیش بین مدل غیرخطی
  • موسی رضائی*، مجتبی رضایی صفحه 5

    ناپایداری آیروالاستیکی در پره ها از مهمترین عوامل و منابع ناپایداری در روتور بالگردها محسوب می شوند که از جمله این ناپایداری ها، فلاتر می باشد. در این مقاله به منظور بررسی فلاتر پره و ارتباط آن با پارامترهای سازه ای روتور، معادلات دیفرانسیل جزئی غیرخطی کوپل حاکم بر پره الاستیک دوار روتور بالگرد با فرض تیر اویلر- برنولی تحت اثر نیروهای آیرودینامیکی در حالت هاور با استفاده از اصل همیلتون استخراج شده و با اعمال روش گالرکین به معادلات دیفرانسیل غیرخطی معمولی تبدیل می شوند و سپس معادلات بدست آمده برای مقادیر اغتشاشی کوچک حول شرایط حالت دائم خطی می گردند. اثر کوپل ژیروسکوپی بررسی گردیده و با فرض پاسخ هارمونیک، فرکانس های طبیعی پره در سه محور حرکتی محاسبه شده و ارتباط فرکانس طبیعی و فرکانس فلاتر پره با پارامترهای سازه ای و آیرودینامیکی نشان داده می شود. با استفاده از شبیه سازی عددی، نتایج برای دو نوع پره نرم و سفت با مشخصات معین برحسب پارامترهای مختلف از جمله زاویه پیچش پره، زاویه پیش مخروطی و سرعت چرخش روتور برای شکل مود اول ترسیم و اثر هر کدام از پارامترهای مذکور بر روی فرکانس فلاتر و نیز ناحیه پایداری پره مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. نشان داده می شود با افزایش صلبیت پره، فرکانس فلاتر افزایش یافته و سیستم پایدار خواهد بود.

    کلیدواژگان: پره انعطاف پذیر، فلاتر، کوپل ژیروسکوپی، ناپایداری آیروالاستیکی
  • زهرا آهنگری سیسی، مهدی میرزایی*، صدرا رفعت نیا صفحه 6

    در این مقاله به طراحی و پیاده سازی عملی رویت گر حالت توسعه یافته بر روی دستگاه آزمایش سیستم تعلیق یک چهارم خودرو با مکانیزم مک فرسون در مقیاس واقعی و مجهز به حسگرهای متعدد پرداخته می شود. هدف این الگوریتم، تخمین عدم قطعیت های مدل و ورودی نامعلوم جاده است که منجر به تعیین یک مدل دینامیکی دقیق برای سیستم تعلیق خودرو می گردد. در این روش، جمله هایی که شامل عدم قطعیت های مدل و ورودی های نامعلوم جاده است، به عنوان متغیرهای حالت جدید به سیستم اضافه شده و با استفاده از داده های مربوط به جابجایی های جرم معلق و غیرمعلق، این عدم قطعیت ها و ورودی های نامعلوم تخمین زده می شوند. در ادامه به طراحی یک فیلتر کالمن غیرخطی با ورودی نامعلوم جهت مقایسه با رویت گر حالت توسعه یافته پرداخته می شود. نتایج آزمایشگاهی با داده های واقعی که توام با خطاهای اندازه گیری است، حاکی از دقت بالاتر رویت گر حالت توسعه یافته در ایجاد یک مدل دینامیکی قابل اعتماد برای سیستم می باشد. ضمن اینکه ساختار این رویت گر در مقایسه با فیلتر کالمن با ورودی نامعلوم ساده تر بوده و تنظیم آن راحت تر است و از تعداد خروجی های کم تری استفاده می کند. هر یک از رویت گرهای طراحی شده در ساختار یک سیستم کنترل تعلیق فعال با کنترل کننده بهینه غیرخطی استفاده می شود تا اهداف سیستم تعلیق را برآورده نماید. نتایج شبیه سازی ها به صورت نرم افزار در حلقه در محیط متلب/آدامز، عملکرد مناسب تر کنترل کننده با رویت گر حالت توسعه یافته را نشان می دهند.

    کلیدواژگان: سیستم تعلیق خودرو، ورودی نامعلوم جاده، رویت گر حالت توسعه یافته، فیلتر کالمن با ورودی نامعلوم، کنترل بهینه غیرخطی
|
  • Abbas Mokabberi, Mostafa Nazari, Seyyed Mojtaba Varedi-Koulaei * Page 1

    Dimensional Design of four-bar mechanisms, as the simplest and most widely used linkage, is always one of the main issues raised in the field of mechanism design. In the past, geometric and graphical analysis methods were used to design these mechanisms, but with the advancement of technology, numerical optimization methods, and meta-heuristic algorithms, it is possible to solve problems more precisely and consider a higher number of precision points. The path generation synthesis problem of this mechanism has been solved using different algorithms and in different design modes, including with and without prescribed timing, which the synthesis problem with prescribed timing is more difficult and has a higher path generation error. In this research, to solve the synthesis problem of four-bar mechanism path generation with prescribed timing, a novel objective function is utilized, which includes two terms, path error and angle error. This new objective function leads to a lower error for path generation with prescribed timing. Four different designs are considered and their results, where extracted by the PSO algorithm, are compared. The results of solving this problem for three numerical examples show that the design in the fourth state, which uses the new objective function, has fewer path generation errors.

    Keywords: Four-bar mechanism, Mechanism Synthesis, Prescribed timing, Particle Swarm Optimization Algorithm
  • Hamed Pourhashem, Ali Jamali *, Nader Nariman-Zadeh, Ali Chaibakhsh Page 2

    Fault diagnosis of mechanical systems is of special importance for better system performance as well as its protection. In this work, a rotary motor laboratory system is used to generate signals and data. The obtained data are placed in the pre-processing process. In this article, to improve the performance of signal analysis, the combined analysis methods using signal features and Kalman filter are proposed. At first, the Kalman filter is used to reduce the signal noise. And in the following, for signal pre-processing, the features of the signal in the time domain and frequency domain are suggested, which have been used as one-dimensional signal pre-processing. In the following, several neural networks such as support vector machine, multilayer perceptron, and convolutional neural networks have been used to analyze the obtained features. To check the results, the data is divided into training data and validation data. Accuracy results for validation data are examined in different methods. The results indicate the better performance of the AlexNet convolutional neural network in the presence of the Kalman filter denoising process. In this case, this network has reached an average of 96.1% accuracy for validation data, which has been improved compared to other classifiers and fault diagnosis without noise reduction.

    Keywords: Fault diagnosis of rotary machine, Noise Reduction, Kalman Filter, Neural Network, signal processing
  • Hojatollah Tavari, Mohammad Mahdi Jalili Bahabadi * Page 3

    Surface roughness is one of the most important characteristics in nanomachining products. One of the parameters that always has a great impact on the surface quality is the forces caused by the nanocutting process. In this research, using molecular dynamics simulation in LAMMPS software, the process of dynamic nano ploughing of single-crystal copper workpiece by a diamond tool is investigated. The effect of parameters of dynamic nano- ploughing process such as depth of cut, amplitude and frequency of cutting tool vibration on cutting force and surface roughness has been investigated by calculating average roughness. Also, in order to more closely examine the effect of parameters and their interaction on each other, Taguchi method has been used to design experiments. The simulation results show that the characteristics of cutting depth, amplitude and frequency of cutting tool vibration have the greatest effect on surface smoothness and cutting forces, respectively. Based on the presented results, it has been determined that the surface roughness can be improved in different machining conditions based on the selection of parameters, and it is necessary to check their conditions together well before selecting these parameters. Also, using Taguchi method, the optimal values of dynamic ploughing parameters were obtained to achieve the best surface smoothness and the lowest cutting force in certain dimensions as described by DOC=2.5 , R=0.1 and ω=50 KHz.

    Keywords: Dynamic ploughing, Molecular dynamic method, Surface roughness, Taguchi method, Single crystal copper
  • Hamed Kouhi Gilvan *, Esmaeil Salahshoor Page 4

    This paper studies the autonomous vehicle leader following and collision avoidance problem. In this paper, like as a real car, geometric dimensions, mass and moment of inertia are considered for the car; steering-wheel and driving-wheel torques are the two control inputs. The nonlinear dynamics equation of the vehicle is derived. At first, an algorithm is proposed for changing the direction of the vehicle to follow the leader, then the suitable path for multiple obstacle avoidance and leader following is proposed, and then a nonlinear model predictive controller (MPC) is used to follow the reference trajectory. The desired trajectory is designed according to the elastic band method which is a powerful method for obstacle avoidance and leader following. The performances of the closed-loop system are illustrated through simulations. During the simulation the vehicle first changes its direction and then follows the leader without colliding with obstacles. Although the vehicle is inertial and non-holonomic in behavior, the simulations show that the two path planning methods with MPC scheme works well. For the future works the authors aim to solve the problem with moving obstacles.

    Keywords: Autonomous vehicle, Multiple Obstacle Avoidance, Nonholonomic constraint, Trajectory Planning, Nonlinear Model Predictive Control
  • Mousa Rezaee *, Mojtaba Rezayi Page 5

    Aeroelastic instability in blades is one of the most important sources of instability in helicopter rotors, and the most critical of these instabilities is flutter. In this paper, in order to investigate the blade flutter and its relationship with the rotor structural parameters, using the Hamilton's principle and considering the Euler-Bernoulli beam theory, the coupled nonlinear partial differential equations governing the rotating elastic blade of a helicopter in the hover flight mode are extracted and converted into a set of ODEs by applying Galerkin method. Then the obtained equations for small perturbations are linearized around the steady state conditions. The effects of the gyroscopic couplings are investigated and assuming the harmonic response, the natural frequencies of the blade in three motion axes are calculated and the relationship between the natural frequency and flutter frequency of the blade with structural and aerodynamic parameters are shown. Using numerical simulation, the results for two types of soft and stiff blades with given characteristics in terms of different parameters such as blade twist angle, pre-cone angle and rotation speed of rotor for the first mode shape are extracted. Finally, the effect of each of the mentioned parameters on the flutter frequency and also, the blade stability region is analyzed. It is shown that by increasing the blade stiffness, the flutter frequency will increase and the system will be stable.

    Keywords: Elastic Blade, Flutter, Gyroscopic Couple, Aeroelastic Instability
  • Zahra Ahangari Sisi, Mehdi Mirzaei *, Sadra Rafatnia Page 6

    This paper presents the design and experimental implementation of the extended state observer (ESO) for a fabricated quarter-car suspension platform with a McPherson mechanism equipped with different sensors. This algorithm aims to estimate uncertainties and road input, and determines an accurate dynamic model for the vehicle suspension system. In the proposed method, the terms including uncertainties and unknown road input are added to the system as new state variables. Then, using data of sprung mass and unsprung mass displacements, these uncertainties and unknown inputs are estimated along with other state variables of the system. A nonlinear Kalman filter with unknown input is also designed to be compared with the ESO. The comparison results using the experimental data with measurement errors indicate the high accuracy of the ESO in constructing a precise dynamic model for the system. Meanwhile, the ESO uses fewer sensors and its regulation is easier. Both observers are used within the structure of active suspension system under an optimal nonlinear controller to provide the objectives of the suspension system. Co-simulation results of Adams/MATLAB show the better performance of the proposed controller using the ESO.

    Keywords: Vehicle suspension system, Unknown road input, Extended State Observer, Unknown input Kalman filter, Optimal Nonlinear Control