فهرست مطالب

Simulation and Analysis of Novel Technologies in Mechanical Engineering - Volume:4 Issue: 1, 2011

Journal of Simulation and Analysis of Novel Technologies in Mechanical Engineering
Volume:4 Issue: 1, 2011

  • تاریخ انتشار: 1390/06/20
  • تعداد عناوین: 8
|
  • ابوالحسن نظری نژاد گیاشی، رضا انصاری، حبیب رمضان نژاد آزاربنی صفحات 1-9
    در این مقاله بر اساس تئوری غیر موضعی تیر تیموشنکو، مدلی غیر خطی از رفتار ارتعاشاتی نانولوله های کربنی چند لایه روی بستر الاستیک در محیط حرارتی ارائه می شود. با به کارگیری تئوری تیر تیموشنکو و تئوری الاستیسیته غیرموضعی ارینگن، اثرات اینرسی و تغییر شکل برشی و نیز اثرات مقیاس کوچک در تحلیل حاضر لحاظ می شوند. به منظور مدل کردن نیروی برهم کنش بین لایه ها، اثر متقابل وندروالسی تمام لایه ها بر همدیگر در نظر گرفته شده است. از روش هارمونیک بالانس برای حل دستگاه معادلات غیر خطی حاکم بر رفتار سیستم و استخراج تابع فرکانسی تحت شرایط مرزی تکیه گاه ساده استفاده می شود. تاثیر پارامترهای هندسی نانولوله مانند تعداد لایه ها، نسبت طول به قطر خارجی و شرایط محیطی مانند اثرات ضریب بستر الاستیک، دما و همچنین تاثیر پارامتر غیر موضعی بر فرکانس غیر خطی نانو لوله ها مورد بررسی قرار می گیرند. نتایج بدست آمده برای نانو لوله های تک لایه، دو لایه و سه لایه نشان می دهند که افزایش در پارامترهایی همچون تعداد لایه ها، مقدار ضریب بستر الاستیک، نسبت طول به قطر خارجی و دما باعث کاهش سطوح پاسخ فرکانس غیر خطی شده و فرکانس غیر خطی به سمت فرکانس خطی میل می کند. همچنین مقایسه نتایج حاصل از تئوری های تیر تیموشنکو و تیر اویلر- برنولی نشان می دهد که تفاوت پاسخ فرکانسی این دو تئوری در طولهای کوتاه نانولوله بوده و نتایج این دو تئوری در طولهای بلند به سمت یکدیگر همگرا می شوند.
    کلیدواژگان: نانولوله کربنی چندلایه، تئوری غیرموضعی تیموشنکو، روش هارمونیک بالانس، محیط حرارتی
  • علی قربانپور آرانی، محمد شریف زارعی، مهدی محمدی مهر صفحات 11-16
    در این مقاله اثر حرارت روی کمانش پیچشی نانولوله کربنی دوجداره بر بستر الاستیک از نوع پاسترناک بررسی شده است. همچنین بر اساس مدل مکانیک پیوسته غیرموضعی، معادلات حاکم بر کمانش برای یک پوسته استوانه ای به دست آمده، سپس این معادلات به یک نانو لوله دوجداره تعمیم داده شده اند. در این تحقیق علاوه بر حرارت و محیط الاستیک، اثر مقیاس کوچک طول و نیروهای واندروالسی نیز در نظر گرفته شده اند. همچنین برای شبیه سازی برهمکنش بین ماتریس پلیمری (محیط الاستیک) و جداره بیرونی نانولوله از مدل پاسترناک استفاده شده است. نتایج عددی این تحلیل نشان می دهند که بار بحرانی کمانش در مودهای میانی اتفاق می افتد. علاوه بر این کمانش برای مدل پاسترناک نسبت به مدل وینکلر دیرتر اتفاق می افتد. علاوه بر این نتایج موید آن است هنگامی که محیط الاستیک بسیار صلب است، بار کمانش برای هر دو مدل وینکلر و پاسترناک مستقل از مقدار این دو مدل است. همچنین مشاهده می شود که بار کمانش با افزایش تغییرات دمایی کاهش می یابد .
    کلیدواژگان: نانولوله کربنی دوجداره، کمانش حرارتی، مکانیک محیط های پیوسته غیرموضعی، محیط الاستیک، مدل پاسترناک
  • رحمت الله قاجار، صفا پیمان، جواد علیزاده کاکلر صفحات 17-25
    قطعات و سازه های مهندسی در بسیاری از موارد تحت بارگذاری های سیکلی قرار گرفته و دچار خستگی چندمحوری می شوند. در زمینه محاسبه عمر خستگی در حالت چندمحوری، معیارها و مدل های زیادی با قابلیت های متفاوت ارائه شده اند. انتخاب مدل برای محاسبه عمر خستگی چندمحوری با توجه به جنس، نوع بارگذاری و شرایط عملکردی هر یک از سازه های مهندسی، یکی از چالش های مطرح در فرایند محاسبه عمر است. در این مقاله، قابلیت چند معیار کرنش پایه مهم برای محاسبه عمر خستگی چندمحوری مورد بررسی، مقایسه و ارزیابی قرار گرفته است. سپس بر اساس شناخت مزیت ها و ضعف های معیارهای مورد بررسی، یک معیار صفحه بحرانی بهبودیافته، مناسب برای انواع بارگذاری های متناسب و نامتناسب، شده است. برای این مطالعه از داده های مربوط به آزمایش های واماندگی خستگی نمونه های فولادی NCM630 تحت بارگذاری های محوری-پیچشی استفاده شده است. این داده ها در قالب داده های مربوط به تنش، دامنه کرنش و عمر خستگی هستند. از قیاس نتایج تجربی و عمر محاسبه شده با استفاده از مدل بهبودیافته، قابلیت آن در تخمین عمر خستگی مورد ارزیابی قرار گرفته است.
    کلیدواژگان: خستگی چندمحوری، عمر خستگی، معیار کرنش پایه، معیار صفحه بحرانی
  • محمد هاشمی گهرویی، حسین گلستانیان، مهدی سلمانی تهرانی صفحات 27-34
    در این مقاله خواص مکانیکی نانوکامپوزیت تقویت شده با نانولوله کربنی با استفاده المان حجمی نماینده ی مربعی بر اساس مکانیک محیط پیوسته و روش المان محدود به دست آمده است. برای این کار ابتدا با استفاده از تئوری الاستیسیته روابط لازم برای به دست آوردن خواص موثر نانوکامپوزیت از حل المان حجمی نماینده تحت دو نوع بارگذاری استخراج شده است. سپس اثرات نسبت منظری نانولوله ی کربنی بر روی خواص مکانیکی نانوکامپوزیت به دست آمده است. نتایج نشان می دهد که افزایش نسبت منظری نانولوله کربنی باعث افزایش مدول یانگ نانوکامپوزیت در جهت الیاف و کاهش مدول یانگ در جهت عرضی می شود. همچنین افزایش نسبت منظری نانولوله کربنی باعث افزایش نسبت پواسون در صفحه ی xz و کاهش نسبت پواسون در صفحه ی xy می شود.
    کلیدواژگان: نانوکامپوزیت، نانولوله کربنی، نسبت منظری، تحلیل اجزای محدود، خواص مکانیکی موثر
  • محمود مهرداد شکریه، سعید اکبری رکن آبادی صفحات 35-45
    روش شیارزنی یکی از روش های پرکاربرد در اندازه گیری تنش های پسماند است که طی آن شیاری در چند مرحله در قطعه مورد نظر ایجاد شده و کرنش های آزاد شده در هر مرحله به وسیله کرنش سنج ثبت می شود. ارتباط بین کرنش های ثبت شده و تنش های پسماند به وسیله ماتریس ضرایب نرمی صورت می گیرد. در این تحقیق به کمک روش اجزای محدود، پارامترهای موثر در محاسبه مقادیر ضرایب نرمی برای صفحات فلزی ایزوتروپیک و همچنین چند لایه های کامپوزیتی بررسی شده است. در ابتدا فرایند شبیه سازی برای صفحات ایزوتروپیک به صورت دو و سه بعدی انجام گرفته است. نتایج به دست آمده بیانگر تطابق کامل نتایج دو مدل است. برای محاسبه ضرایب نرمی نیاز به محاسبه کرنش متوسط در محل کرنش سنج است. برای این کار از روش های مبتنی بر کرنش و مبتنی بر جابه جایی استفاده شده است. همچنین با مقایسه ترک و شیار، تاثیر عرض شیار بر ضرایب نرمی بررسی شده است. سپس میزان کرنش ثبت شده توسط کرنش سنج های با طول اندازه گیرهای مختلف مقایسه و مشخص شد با استفاده از کرنش سنج های با طول اندازه گیر کمتر، میزان کرنش ثبت شده افزایش یافته و در نتیجه خطای اندازه گیری کاهش می یابد. در نهایت با استفاده از مدل سه بعدی ارائه شده ضرایب نرمی برای دو چندلایه ای کامپوزیتی کربن- اپوکسی و شیشه- اپوکسی تعیین شده اند.
    کلیدواژگان: تنش های پسماند، روش شیارزنی، کامپوزیت های پلیمری، ضرایب نرمی، تحلیل اجزا محدود
  • علی اکبر شفیعی، مجتبی محزون، احسان عسکری صفحات 47-61
    در این مقاله یک روش نیمه تحلیلی برای بررسی مسئله ارتعاش آزاد یک مخزن با جداره استوانه ای صلب و کف انعطاف پذیراز جنس مواد مدرج تابعی حاوی سیال ارائه شده است. خصوصیات مواد، مطابق یک تابع توانی، سیگموئید یا نمایی بر حسب کسر حجمی مواد تشکیل دهنده، در راستای ضخامت ورق توزیع شده است. سیال به صورت غیر لزج و تراکم ناپذیر فرض شده و پتانسیل سرعت سیال به صورت بسط توابع ویژه فرمولبندی شده است. در این مطالعه برهمکنش بین سیال و سازه لحاظ شده و مشخصات دینامیکی سیستم در تماس با سیال با استفاده از روش ریلی- ریتز استخراج شده است. به منظور بررسی اعتبار و دقت روش تئوری نتایج به دست آمده، با نتایج آزمایشگاهی و عددی موجود در مقالات قبلی انجام شده در این زمینه مقایسه شده است. همچنین به منظور اعتبارسنجی روش حاضر از یک تحلیل المان محدود نیز استفاده شده است. در نهایت اثر متغیرهای متفاوتی از جمله تعداد قطرها و دوایر گرهی (شماره مودها)، کسر حجمی مواد مدرج تابعی و ارتفاع سیال روی رفتار دینامیکی سیستم در تماس با سیال به دست آمده است .
    کلیدواژگان: ارتعاشات آزاد، برهمکنش سیال سازه، مواد مدرج تابعی، روش ریلی ریتز، بسط توابع ویژه
  • رسول مرادی دستجردی، مهرداد فروتن، سمیه عبداللهی بکتاش صفحات 63-75
    در این مقاله تحلیل استاتیکی استوانه هایی از جنس مواد هدفمند ارتوتروپیک با طول کوتاه به روش بدون المان بررسی شده است. در این روش، توابع شکل حداقل مربعات متحرک برای تقریب میدان جابه جایی در فرم ضعیف معادله تعادل استفاده شده و برای اعمال شرایط مرزی اساسی توابع تبدیل به کار رفته است. در این شبیه سازی از یک مدل متقارن محوری استفاده شده است که خواص مکانیکی آن در راستای شعاع، متناسب با تغییرات کسر حجمی مواد تشکیل دهنده، تغییر می کند. در این مقاله اثرات طول و ضخامت استوانه، توان کسر حجمی توزیع مواد، نوع چیدمان مواد و همچنین اعمال شرایط مرزی اساسی بر توزیع تنش و میدان جابه جایی این استوانه ها بررسی شده است. به منظور اعتبارسنجی، نتایج به دست آمده با نتایج حاصل از روش اجزا محدود و همچنین نتایج سایر محققان، مقایسه و مطابقت بسیار خوبی مشاهده شد. همچنین مشخص شد که روش بدون المان نتایج دقیق تر و هموارتری نسبت به روش اجزا محدود دارد. میدان تنش استوانه های هدفمند ارتوتروپیک نیز با نتایج استوانه های ارتوتروپیک همگن چند لایه تایید شده با انتخاب توان کسر حجمی مناسب نیز، می توان طراحی مناسب و بهینه ای روی این استوانه ها داشت.
    کلیدواژگان: مواد هدفمند ارتوتروپیک، روش بدون المان، تحلیل استاتیکی، متقارن محوری
  • محمد اسماعیلی ادبی، شهربانو فرخنده، مجید رشیدی صفحات 77-83
    در این مقاله در ابتدا یاتاقان مغناطیسی غیر فعال مورد تحلیل قرار گرفته و سپس مشخصه های عملکردی آن مطالعه شده است. یاتاقان مغناطیسی که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفت شامل محور، لایه داخلی مغناطیسی مستقر در اطراف محور و یک حلقه خارجی مغناطیسی است. بررسی جامعی درباره نیروی اعمال شده توسط مغناطیس دائمی یاتاقان که بر روی محور وارد می شود تا آن را به حالت توازن اولیه اش برگرداند، انجام گرفته است. رابطه بین نیروی اعمال شده و اندازه جابه جایی محور از حالت تعادل مطالعه شده است تا بتوان اندازه سفتی را تعیین کرد. مطالعه پارامتری برای پیش بینی تاثیرات خواصی مانند جنس مغناطیس، اندازه خارجی و ضخامت مغناطیس بر عملکرد یاتاقان مغناطیسی انجام گرفته است. نتایج این پژوهش نشان می دهد که تغییرات شعاعی قسمت چرخشی یعنی محور و مغناطیس داخلی حلقه، باعث ایجاد نیرویی می شود که تمایل دارد قسمت چرخشی را به موقعیت تعادل اولیه خود برگرداند. همچنین تغییرات جنس مواد مغناطیس، تاثیر بیشتری نسبت تغییرات شعاعی در مقدار مغناطیس دارد. وقتی شعاع محور بیشتر می شود، فنریت آن کمتر می شود. در ضخامت کمتر از مدل اصلی، دیده شد که فنریت یاتاقان مغناطیسی کاهش می یابد. به نظر می رسد که افزایش ضخامت حالت ارتجاعی یاتاقان را بهبود می بخشد. همچنین مشاهده شد که تعداد یاتاقان های چیده شده در کنار هم، باعث افزایش فنریت می شود. اما واقعیت این است که محدودیت هایی برای تعداد یاتاقان های چیده شده روی هم وجود دارد.
    کلیدواژگان: مغناطیسی، غیر فعال، یاتاقان، دائمی، ارتجاعیت، فعال
|
  • Abolhasan Nazarinezhad Giashi, Reza Ansari, Habib Ramezannezhad Azarboni Pages 1-9
    In this paper, based on the nonlocal Timoshenko beam theory, a nonlinear model is presented for the vibrational behavior of carbon nanotubes (CNTs) embedded in elastic medium in thermal environment. Using the Timoshenko beam theory and nonlocal elasticity of Eringen, the influences of rotary inertia, transverse shear deformation and small scale effect are taken into account. To model the interaction forces between walls, whether adjacent or non-adjacent, the van der Waals interlayer interactions are considered. The harmonic balance method (HBM) is used for the solution of the set of nonlinear governing equations and the frequency function of the system for the simply-supported boundary conditions is derived. Compared to the incremental harmonic balance method which has been employed in the previous studies, the HBM is simpler and has a reasonable accuracy. The effects of geometrical parameters of nanotubes such as the number of walls, the ratio of length to outer diameter and environmental conditions such as elastic medium modulus, temperature and also the effect of nonlocal parameter on the nonlinear frequency are investigated. The presented nonlinear vibration analysis is of a general form, so that they are applicable for CNTs with arbitrary number of walls. The obtained results for single-, double- and triple-walled CNTs indicate that with an increase in the number of walls, elastic medium modulus, aspect ratio and temperature, the value of nonlinear frequency tends to that of its linear counterpart. Also, a comparison between the results of the Timoshenko beam theory and those of Euler-Bernoulli beam theory shows that the difference between the frequency responses of these theories is significant for short CNTs, but, as the length increases, the difference between the results becomes negligible.
    Keywords: Multi, walled carbon nanotubes, Nonlocal Timoshenko beam theory, Harmonic balance method, Thermal environment
  • Ali Ghorbanpour Arani, Mohammad Sharif Zarei, Mehdi Mohammadimehr Pages 11-16
    In this study the effect of thermal stress on the torsional buckling of double walled carbon nanotubes is investigated. Moreover based on nonlocal continuum mechanic the buckling governing equations are obtained and equilibrium of Equations is generalized to double wall nanotubes. Also in this study the elastic medium, small scale effect and van der Walls force are considered. Also for simulation of the interaction between the polymer matrix and external tube Pasternak model is used. The numerical results indicate that critical buckling load occurs in the middle modes. Moreover for the Winkler related the Pasternak model the buckling occurs earlier. Results show that for rigid elastic medium in both case of Pasternak and Winkler models the buckling load is independent of their values Moreover from the result it can be seen that the buckling load has been increase as the thermal effect change.
    Keywords: Double walled carbon nanotube, Thermal buckling, Nonlocal continuum mechanic, Elastics medium, Pasternak model
  • Rahmat, Allah Ghajar, Safa Peyman, Javad Alizadeh K. Pages 17-25
    Engineering structures are usually exposed to cyclic multiaxial loading and subsequently to multiaxial fatigue. Different models and criteria with various capabilities have been proposed for predicting of multiaxial fatigue life. Selection of proper model by considering material, type of loading and operation condition of each engineering structure is a challenging issue of the life prediction process. In this paper, capability of some critical strain-based models for predicting the fatigue life are evaluated and compared. Then, based on the advantages and disadvantages of the investigated models, a new model is presented. In this study, experimental fatigue data for SNCM630 samples under axial-torsional loading are used which is available in the literature. Results are compared to experimental data in order to validate the accuracy and capability of the new model in prediction of the fatigue life.
    Keywords: Multiaxial fatigue, Fatigue life, Strain, based model, Critical plane, based mode
  • Mohammad Hashemi Gahruei, Hossein Golestanian, Mehdi Salmani Tehrani Pages 27-34
    Carbon nanotubes (CNTs) demonstrate unusually high stiffness, strength and resilience, and are therefore an ideal reinforcing material for nanocomposites. However, much work has to be done before the potentials of CNT-based composites can be fully realized. Evaluating the effective material properties of such nanoscale materials is a very difficult tasks. Simulations using molecular dynamics and continuum mechanics models can play significant roles in this development. Currently, the continuum approach seems to be the only feasible approach for such large scale analysis. In this paper, effective mechanical properties of CNT-based composites are evaluated using a square representative volume element (RVE) based on the continuum mechanics and Finite Element Method (FEM). Formulas are derived based on the elasticity theory to extract the effective material constants from solutions for the square RVEs under two load cases. Next, CNT aspect ratio effects on the nanocomposite mechanical properties are investigated. Results indicate that increasing CNT aspect ratio results in an increase in nanocomposite longitudinal modulus and a decrease in nanocomposite transverse modulus. Also, increasing the CNT aspect ratio resulted in a decrease in nanocomposite Poisson’s ratio in the x-y plane and an increase in nanocomposite Poisson’s ratio in the x-z plane.
    Keywords: Nanocomposite, Carbon nanotube, Aspect ratio, Finite element analysis, mechanical properties
  • Mahmood Mehrdad Shokrieh, Saeid Akbari Pages 35-45
    In the slitting method, a small width slit is created incrementally through the thickness of the stressed specimen and the released strains in each increment are recorded by a strain gauge. Compliance coefficients relate the measured strains to the residual stresses. This paper investigates the important parameters influencing the calculation of compliance coefficients for isotropic plates and laminated composites by finite element analysis. First, the process of slitting in isotropic materials is simulated using two and three-dimensional finite element models. The results show complete agreement between these two models. Calculation of average strain at the strain gauge location is necessary for the calculation of compliance coefficients. For this purpose, strain-based and displacement-based methods are used. In addition, the effect of slit width on compliance coefficients is checked. Then, released strains by strain gauges with different gauge-lengths are compared with each other. The results show that the strain gauges with smaller gauge-lengths can record higher values of released strain and consequently increase the precision of measurements. Lastly, compliance coefficients for two glass/epoxy and carbon/epoxy laminates are calculated using the proposed three-dimensional model.
    Keywords: residual stresses, Slitting Method, Polymer Composites, Compliance Coefficients, Inite Element Analysis
  • Ali Akbar Shafiee, Mojtaba Mahzoon, Ehsan Askary Pages 47-61
    In the present paper a method is proposed to investigate the free vibration of a partially liquid-filled cylindrical tank. The mechanical properties of the container are assumed to change continuously along the thickness according to volume fraction Power-law, Sigmoid or Exponential distribution. The liquid is supposed to be incompressible and in viscid and its velocity potential is formulated by using Eigen function expansions. The interaction between the liquid and the plate was considered and the dynamic characteristics of the plate are extracted by using the Rayleigh–Ritz method. The results from the proposed method are in good agreement with experimental and numerical solutions available in the literature. A finite element analysis is also applied to check the validity of the results. Furthermore, the influence of various variables such as the number of nodal circles and diameters, volume fractions of functionally graded materials and liquid level on the dynamic behavior of the coupled system is investigated.
    Keywords: Free vibration, Liquid–structure interaction, Functionally graded materials, Rayleigh–Ritz method, Eigen function expansion
  • Rasoul Moradi, Dastjerdi, Mehrdad Foroutan, Somayeh Abdollahi, Backtash Pages 63-75
    In this paper static analysis of orthotropic functionally graded material (FGM) cylinders with finite length was carried out by a mesh-free method. MLS shape functions are used for approximation of displacement field in the weak form of equilibrium equation and essential boundary conditions are imposed by transformation method. In this simulation, an ax symmetric model is used. Mechanical properties of cylinders were assumed to be variable in the radial direction as a function of volume fraction. In this analysis, effects of the cylinder thickness and length, volume fraction exponent, type of materials layout and essential boundary conditions on displacement fields and stress distribution for orthotropic cylinders are investigated. The results of the proposed method for isotropic FGM cylinders were compared with corresponding results obtained from FEM and previous published works and a very good agreement are seen between them. Also by comparing the stress distributions of orthotropic FGM cylinders and corresponding results of homogeneous multilayered orthotropic cylinders were confirmed.
    Keywords: FGM, Mesh, Free, Orthotropic Cylinder, Static Analysis, Transformation function
  • Mohammad Esmaeili Adabi, Shahrbanoo Farkhondeh, Majid Rashidi Pages 77-83
    A typical passive magnetic bearing has been modeled and analyzed for its performance characteristics. The magnetic bearing studied in this work comprised of a Shaft, inner magnets sleeved over the shaft, and outer magnetic rings. A detailed analysis has been perform on the force exerted by a permanent magnet on the shaft nurture to restore the shaft to its equilibrium position when an eccentricity is induced between the magnet and the shaft . A relation between the force exerted and the displacement of the shaft from its equilibrium position has been developed hence determining a specific stiffness value.
    Keywords: Active magnetic bearing, Electrodynamic effects, Magnetic flux, stiffness