فهرست مطالب

روش های عددی در مهندسی - سال سی و هشتم شماره 1 (تابستان 1398)
  • سال سی و هشتم شماره 1 (تابستان 1398)
  • تاریخ انتشار: 1398/05/10
  • تعداد عناوین: 7
|
  • امین رضا نقره آبادی، رضا میرزایی، محمد قلم باز* صفحات 1-18
    رفتار بسیاری از سیالات را می‎تو راه‏ های زیادی برای حل معادلات دیفرانسیل وجود دارد که شامل روش‏ های تحلیلی و عددی می شود. با این وجود حل بسیاری از معادلات دیفرانسیل مرتبه بالای بد وضع هنوز یک چالش اساسی به شمار می‏ آید. معادلات دیفرانسیل حاکم بر نانوسیالات ویسکوالاستیک در مرزهای سیستم به طور عمومی بد وضع بوده و حل عددی آنها با چالش‏ های جدی مواجه است. از طرفی وجود نانوذرات در ابعاد بسیار ریز (زیر 100 نانومتر) باعث ایجاد پدیده ‏های انتقال حرارت و جرم جدید شده که بر پیچیدگی رفتار نانوسیالات ویسکوالاستیک می‏ افزاید. بنابراین، ایجاد و یا گسترش روش‎های تحلیلی یا نیمه‎ایجاد و  یا گسترش روش‎های تحلیلی یا نیمه‎تحلیلی برای حل معادلات حاکم بر این نوع نانوسیالات امری ضروری است. در پژوهش حاضر، در یک ایده جدید و با استفاده از روش‏ های بهینه‏ سازی هوشمند، روش جدیدی برای حل معادلات دیفرانسیل حاکم بر نانوسیالات ویسکوالاستیک ارائه شده است. با استفاده از بهینه‏ سازی هوشمند سعی بر آن است تا با تغییر یک ایده ابتدایی به سوی جواب بهینه حرکت کرد که هم معادلات حاکم و هم شرایط مرزی را به خوبی ارضا کند. نتایج به دست آمده حاکی از توانایی و دقت بسیار خوب روش ارائه شده در حل معادلات دیفرانسیل مرتبه بالای حاکم بر نانوسیالات ویسکوالاستیک است.
    کلیدواژگان: نانوسیال ویسکوالاستیک، معادلات تشابهی، روش حل عددی، الگوریتم بهینه سازی، شبکه عصبی
  • مرتضی همایون صادقی*، سعید لطفان صفحات 19-36
    در این پژوهش، تعاملات مودال غیرخطی ناشی از تشدید داخلی یک به سه در سیستم تیر- جرم- فنر- میراگر بر اساس روش شناسایی سیستم غیرخطی مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور معادلات حاکم بر ارتعاش عرضی تیر و جرم متمرکز بر اساس روش مقیاس های چندگانه مورد تحلیل قرار گرفته و پاسخ ارتعاشات سیستم تحت تشدید اصلی استخراج شده است. سپس رفتار فرکانسی پاسخ ارتعاشی با استفاده از تبدیل های فوریه و موجک مورلت بررسی شده است. به منظور شناسایی غیرپارامتریک پاسخ زمانی، توابع مود ذاتی تک فرکانسی با استفاده از روش تجزیه مود تجربی پیشرفته به دست آمده است. در این روش برای جلوگیری از اختلاط مود ناشی از تعامل مودال از سیگنال های پوششی استفاده شده است. پس از تحلیل رفتار فرکانسی هر یک از توابع مود، دینامیک جریان آهسته سیستم تشکیل شده و نوسانگرهای مودال اصلی برای بازسازی مود ذاتی متناظر استخراج شده است. درنهایت با تحلیل پدیده ضربان در یک سیستم یک درجه آزادی ساده نشان داده شده است که تشدید داخلی تنها در شرایطی باعث به وجود آمدن پدیده ضربان در پاسخ زمانی می شود که شیب دامنه لگاریتمی نیروی نوسان گر غیرصفر باشد. نتایج نشان می دهد که بر اساس متناوب، شبه متناوب و آشفته بودن پاسخ، تعاملات مودال می تواند پایا یا ناپایا باشد. همچنین رفتار آشوبناک بیشتر در مود ارتعاشی رخ می دهد که توسط مکانیزم تشدید داخلی تحریک شده است.
    کلیدواژگان: سیستم تیر- جرم- فنر- میراگر، تعاملات مودال غیرخطی، شناسایی سیستم غیرخطی، تجزیه مود تجربی پیشرفته
  • عیسی احمدی*، داریوش کوه بر، رویا تقی لو صفحات 37-62
    در این پژوهش، یک مدل المان محدود برای تحلیل ضربه سرعت پایین بر ورق کامپوزیتی ارائه شده است و با استفاده از آن آسیب ایجاد شده ناشی از برخورد یک ضربه زننده، با ورق کامپوزیتی لایه ای با سرعت پایین، مورد بررسی قرار گرفته است. برای پیش بینی آسیب از تئوری پیشنهاد شده توسط چویی- چانگ و همچنین معیار سای- هیل استفاده شده است. برای مدل سازی و تحلیل رفتار ورق از تئوری مرتبه اول برشی و تئوری المان محدود ریتز و برای مدل سازی تماس از قانون تماس اصلاح شده هرتز استفاده شده است. برای حل زمانی معادلات حرکت ورق و ضربه زننده از روش انتگرال گیری نیومارک استفاده شده است. در قسمت نتایج عددی شرایط مرزی مختلف، ابعاد مختلف و لایه گذاری متفاوت مورد بررسی قرار گرفته است و به بررسی آسیب ناشی از ضربه سرعت پایین در ورق کامپوزیتی لایه ای پرداخته شده است. پارامتر آسیب و ناحیه آسیب ناشی از ضربه، مورد بررسی قرار گرفته است و اثر پارامترهای مختلف بررسی شده است.
    کلیدواژگان: پیش بینی آسیب ناشی از ضربه، ضربه سرعت آهسته، روش المان محدود ریتز، قانون اصلاح شده هرتز، تئوری میندلین
  • حسن بازای، احمد آذری*، مصطفی مشتاق صفحات 63-79
    هدف این مقاله، مطالعه عددی مشخصه های انتقال حرارتی و جریان نانوسیالات درون میکروکانال استوانه ای با سطح مقطع های مستطیلی، مثلثی و دایره ای و همچنین مقایسه سیال پایه آب و دی اتیلن گلایکول است. اندازه و شکل این مقطع ها تاثیر قابل توجهی روی عملکرد گرمایی  و هیدرولیکی مبدل حرارتی میکروکانال دارد. نانوسیالات استفاده شده در این تحقیق شامل آب و دی اتیلن گلایکول به عنوان سیال پایه و نانوذرات شامل  SiO2، Cu، Al2O3  و   CuO است.برای حل مسئله و استخراج داده های مورد نیاز یک شبیه سازی سه بعدی برای میکروکانال با استفاده از نرم افزار  ANSYS FLUENT 15.0   انجام شد و تاثیر شکل سطح مقطع جریان سیال و نوع نانو سیالات استفاده شده، روی پارامترهای انتقال حرارت و جریان سیال بررسی شد. از نتایج به دست آمده در این تحقیق، مشاهده می شود که با افزودن نانوذرات به سیال پایه میزان انتقال حرارت و افت فشار افزایش پیدا می کند. همچنین نتایج نشان می دهد که کانال های مستطیلی بهترین عملکرد را در بین سه هندسه بررسی شده دارا است و بدترین عملکرد مربوط به کانال های مثلثی است زیرا میزان ضریب انتقال حرارت جابه جایی در کانال های مستطیلی و دایره ای به ترتیب 19/26 و 10/88 درصد بیشتر از کانال های مثلثی گزارش شده است و در پایان، سیال پایه دی اتیلن گلایکول به جای آب در یک دبی یکسان استفاده شد و مشخص شد که عملکرد سیال پایه آب به مراتب بهتر از دی اتیلن گلایکول است به این ترتیب که ضریب انتقال حرارت جابه جایی برای سیال پایه آب در غلظت سه درصد نانوسیال  Al2O3  به میزان 80 درصد بیشتر از سیال پایه دی اتیلن گلایکول به دست آمد.
    کلیدواژگان: انتقال حرارت، افت فشار، مبدل حرارتی، میکروکانال، نانوسیال، مدل سازی
  • سیدعلی قاضی میرسعید*، وحیدرضا کلات جاری صفحات 81-100
    در این مقاله، به منظور تحلیل اجزای محدود ورق های نازک ویسکوالاستیک المان های جدیدی با استفاده از توابع شکل مختلط فوریه تحت عنوان المان ورق کیرشهف فوریه (DKFT) پیشنهاد شده است. به منظور ساختن المان های ورق DKFT میدان توابع چند جمله ای در یک المان مثلثی مرتبه دوم شش گرهی با میدان توابع پایه شعاعی مختلط فوریه غنی سازی شده است. برای بررسی صحت و دقت روش پیشنهادی و کارامدی المان های پیشنهادی، تحلیل اجزای محدود ورق های چهارضلعی و بیضوی نازک ویسکوالاستیک با استفاده از این المان ها صورت گرفته است و نتایج آن با حل تحلیلی و نتایج حاصل از المان های کیرشهف (DKT) و حل با کمک نرم افزار تجاری آباکوس مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد که المان های DKFT  در مقایسه با المان های کلاسیک ورق و المان های DKT  بسیار کارامدتر و توانمندتر هستند، چرا که نسبت به آنها از دقت بالایی برخوردارند و هزینه محاسباتی را نیز به میزان قابل توجهی کاهش می دهند.
    کلیدواژگان: روش اجزای محدود، خمش ورق های نازک، ویسکوالاستیسیته، المان ورق DKFT، توابع پایه شعاعی مختلط فوریه، توابع شکل مختلط فوریه
  • فرهود کلاته، فریده حسین نژاد* صفحات 101-118
    معادلات بیوت که اندرکنش سیال و خاک را به طور همزمان درنظر می گیرند از کاربردی ترین روابط موجود در تحلیل روان گرایی محیط های متخلخل هستند. اما به دلیل افزایش ناگهانی اضافه فشار در اثر تحریک لرزه ای و وقوع گرادیان های هیدرولیکی بالا، فرض جریان دارسی به کار رفته در این معادلات مورد تردید قرار می گیرد. در بررسی حاضر در معادلات u-p جریان از نوع غیردارسی (دارسی معادل) درنظر گرفته شده، رفتار غیرخطی خاک نیز با مدل پاستور- زینکویچ- چان مدل می شود. برای صحت سنجی آزمایش شماره یک VELACS مدل سازی شده و اثر فرض غیرخطی جریان سیال روی نتایج بررسی شده است. در ضرایب نفوذپذیری کم نتایج حاصل از جریان غیر دارسی و دارسی بر هم منطبق هستند ولی در ضرایب نفوذپذیری بالا، به خصوص در زمان های ثانویه واعماق بیشتر، از هم فاصله می گیرند.
    کلیدواژگان: تحلیل دینامیکی، معادلات همبسته محیط های متخلخل، پلاستیسیته عمومی، جریان غیردارسی
  • مهدی خاشعی*، فاطمه چاهکوتاهی صفحات 119-129
    امروزه پیش بینی تقاضای الکتریسیته به عنوان یکی از مهم ترین حوزه های پیش بینی، نقشی اساسی در فرایند تصمیم گیری های اقتصادی دارد. آنچه که الکتریسیته را از سایر کالاها متمایز می سازد عدم امکان ذخیره سازی آن در مقیاس وسیع، هزینه بر و زمان بر بودن ساخت نیروگاه های جدید تولید و توزیع برق است. همچنین وجود روند نوسانی و غیرخطی و همچنین ابهام و پیچیدگی در داده های الکتریسیته موجب شده که استفاده از مدل های معمول پیش بینی تقاضای الکتریسیته کارامد نباشند. لذا ارائه مدل های جدید با استفاده از ابزارهای هوش محاسباتی و محاسبات نرم و ترکیب مدل ها از جمله دقیق ترین و پرکاربردترین روش های حال حاضر به منظور مدل سازی پیچیدگی و عدم قطعیت موجود در داده ها هستند. لذا در این مقاله یک مدل ترکیبی بهینه موازی با استفاده از ابزارهای هوش محاسباتی و محاسبات نرم، به منظور پیش بینی بار الکتریکی ارائه می شود. روش ترکیبی ارائه شده در این مقاله بر اساس روش های خودگرسیون میانگین متحرک انباشته فصلی و سیستم های استنتاج فازی- عصبی است. ایده اصلی ارائه روش های ترکیبی، استفاده همزمان از مزایای مدل های تکی در مدل سازی سیستم های پیچیده در یک ساختار و همچنین غلبه بر محدودیت های مدل های تکی است. نتایج حاصل نشان می دهد که روش ترکیبی پیشنهادی عملکرد ضعیف تری نسبت به سایر روش های ترکیبی تکراری شبه بهینه نداشته و همچنین هزینه محاسباتی آن کمتر از این گونه از روش ها دارد. علاوه بر این، روش پیشنهادی توانسته است نتایج دقیق تری در مقایسه با مدل های تشکیل دهنده خود و همچنین برخی از روش های ترکیبی فصلی به دست آورد.
    کلیدواژگان: ابزارهای هوش محاسباتی و محاسبات نرم، پیش بینی سری های زمانی فصلی، بار الکتریکی، سیستم های استنتاج فازی-عصبی (ANFIS)، خودرگرسیون میانگین متحرک انباشته فصلی (SARIMA)
|
  • A. Noghrehabadi, R. Mirzaei, M. Ghalambaz* Pages 1-18
    The behavior of many types of fluids can be simulated using differential equations. There are many approaches to solve differential equations, including analytical and numerical methods. However, solving an ill-posed high-order differential equation is still a major challenge. Generally, the governing differential equations of a viscoelastic nanofluid are ill-posed; hence, their solution is a challenging task. In addition, the presence of very tiny nanoparticles (lower than 100 nm) induces new heat and mass transfer mechanisms which can increase the complexity of the behavior of the viscoelastic nanofluids. Therefore, creating or developing new analytical or semi-analytical approaches to solve the governing equations of these types of nanofluids is highly demanded. In the present study, by using a new idea and utilizing an optimization approach, a new solution approach has been presented to solve the governing equations of viscoelastic nanofluids. By using the optimization method, a basic initial guess was changed toward an optimized solution satisfying all boundary conditions and the governing equations. The results indicate the robustness and accuracy of the presented method in dealing with the high-order ill-posed governing differential equations of viscoelastic nanofluids.
    Keywords: Viscoelastic nanofluid, Similarity solution, Numerical approach, Optimization method, Neural network
  • M. H. Sadeghi*, S. Lotfan Pages 19-36
    In this paper, nonlinear modal interactions caused by one-to-three internal resonance in a beam-mass-spring-damper system are investigated based on nonlinear system identification. For this purpose, the equations governing the transverse vibrations of the beam and mass are analyzed via the multiple scale method and the vibration response of the system under primary resonance is extracted. Then, the frequency behavior of the vibration response is studied by Fourier and Morlet wavelet transforms. In order to perform the nonparametric identification of the time response, mono-frequency intrinsic mode functions are derived by the advanced empirical mode decomposition. In this approach, masking signals are utilized in order to avoid mode mixing caused by modal interaction. After analyzing the frequency behavior of each mode function, slow flow dynamics of the system is established and intrinsic modal oscillators for reconstructing the corresponding intrinsic mode are extracted. Finally, by analyzing the beating phenomenon in a simple one-degree-of-freedom system, it is shown that the internal resonance causes beating only under the circumstance that the slope of the logarithmic amplitude of oscillator force is nonzero. The results, therefore, show that depending on the periodic, pseudo-periodic, and chaotic behavior of the response, modal interactions might be stationary or non-stationary. Moreover, the chaotic behavior occurs mostly in the vibration mode excited by the internal resonance mechanism
    Keywords: Beam-mass-spring-damper system, Nonlinear modal interactions, Nonlinear system identification, Advanced empirical mode decomposition
  • I. Ahmadi*, D. Kouhbor, R. Taghiloo Pages 37-62
    In this paper, a finite element model is presented for the transient analysis of low velocity impact, and the impact induced damage in the composite plate subjected to low velocity impact is studied. The failure criteria suggested by Choi and Chang and the Tsai-Hill failure criteria are used for the prediction of the damage in the composite plate; then the effect of various parameters on the impact induced damage is investigated. The first order shear deformation plate theory and the Ritz finite element method are employed for modeling the behavior of plate, and the modified Hertz contact low is used for the prediction of the contact force through the impact. In the numerical results, the time history of indentation, contact force and stress during the impact and the impact induced damage is investigated. The matrix cracking and delamination in the plies of the laminated composite plate subjected to low velocity impact are studied and the effects of various parameters are investigated.
    Keywords: Impact Damage Prediction, Low Velocity Impact, Finite Element Analysis, Modified Hertz Contact Law, Mindlin Plate Theory
  • H. Bazai, A. Azari*, M. Moshtagh Pages 63-79
    The purpose of this article is the numerical study of flow and heat transfer characteristics of Nanofluids inside a cylindrical microchannel with rectangular, triangular, and circular cross-sections. The size and shape of these sections have a significant impact on the thermal and hydraulic performance of the microchannel heat exchanger. The Nanofluids used in this work include water and De-Ethylene Glycol (DEG) as the base fluids and Al2O3, Cu, SiO2 and CuO as the nanoparticles. To solve the problem and extract the required data, a 3-D simulation was performed for the microchannel using ANSYS FLUENT 15.0 software and the effect of the cross-sectional shape of the fluid flow and the type of nanoparticles on the thermal transfer and fluid flow parameters was studied. From the obtained results, it can be observed that the addition of nanoparticles to the base fluid increases the heat transfer and pressure drop. The results also show that rectangular channels have the best performance among the three geometries examined as its heat transfer coefficient was 19.26% higher than the triangular cross section which had the worst performance.
    Keywords: Heat transfer, Pressure drop, Heat exchanger, Microchannel, Nanofluids, Modeling
  • S. A. Ghazi Mirsaeed*, V. Kalatjari Pages 81-100
    In this paper, finite element analysis of thin viscoelastic plates is performed by proposing new plate elements using complex Fourier shape functions. New discrete Kirchhoff Fourier Theory (DKFT) plate elements are constructed by the enrichment of quadratic function fields in a six-noded triangular plate element with complex Fourier radial basis functions. In order to illustrate the validity and accuracy of the presented approach and robustness of the proposed elements in viscoelasticity, finite element analysis of square and elliptical viscoelastic thin plates is performed and the results are compared to those of analytical solutions and with those obtained by discrete Kirchhoff Theory (DKT) elements and the commercial software ABAQUS. The results show that FE solutions using DKFT elements have an  excellent agreement with the analytical solutions and ABAQUS solutions, even though noticeably fewer elements, in comparison to DKT and classic plate elements, are employed, which means that  the computational costs are reduced effectively.
    Keywords: Finite element method, Bending of thin plates, Viscoelasticity, DKFT plate element, Complex Fourier radial basis functions, Complex Fourier shape functions
  • F. Kalateh, F. Hosseinejad* Pages 101-118
    Biot equations that consider fluid and soil interaction at the same time are the most applicable relationships in the soil dynamic analysis. However, in dynamic analysis, due to the sudden increase in the excess pore pressure caused by seismic excitation and the occurrence of high hydraulic gradients, the assumption of the Darcy flow used in these equations is questionable. In the present study, in the u-p form of Biot equations, non-Darcy flow is considered. Also, the nonlinear behavior of soil is modeled by the Pastor-Zienkiewicz -Chan model. For validation, the VELACS No.1 experiment is modeled and the effect of the nonlinear fluid flow assumption on the results is examined. The results indicate that in the low permeability coefficients, the obtained results of the non-Darcy and Darcy flow are in agreement; however, in high permeability coefficients, these two methods differ by time and depth.
    Keywords: Dynamic analysis, Coupled equations, Generalized plasticity, Non-Darcy flow
  • M. Khashei*, F. Chahkoutahi Pages 119-129
    Nowadays, electricity load forecasting, as one of the most important areas, plays a crucial role in the economic process. What separates electricity from other commodities is the impossibility of storing it on a large scale and cost-effective construction of new power generation and distribution plants. Also, the existence of seasonality, nonlinear complexity, and ambiguity pattern in electricity data set makes it more difficult to forecast by using the traditional methods. Therefore, new models, computational intelligence and soft computing tools and combining models are the most accurate and widely used methods for modeling the complexity and uncertainty in the data set. In this paper, a parallel optimal hybrid model using computational intelligence tools and soft computations is proposed to forecast the electricity load forecasting. The main idea of this model is the use of the advantages of the individual models in the modeling of complex systems in a structure and elimination of  the limitations of them, simultaneously. The experimental results indicate that the proposed hybrid model has a higher performance accuracy in comparison to iterative suboptimal hybrid models and its computational cost is lower than the other hybrid models; also, the proposed model can achieve more accurate results, as compared with its component and some other seasonal hybrid models.
    Keywords: Computational Intelligence, Soft Computing Tools, Seasonal Time Series Forecasting, electricity load, Adaptive neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS), Seasonal Auto-Regressive Integrated Moving Average models (SARIMA)