فهرست مطالب

مهندسی مکانیک امیرکبیر - سال پنجاه و دوم شماره 5 (مرداد 1399)
  • سال پنجاه و دوم شماره 5 (مرداد 1399)
  • تاریخ انتشار: 1399/01/18
  • تعداد عناوین: 19
|
  • علی ملکی*، سید علی احمدی، محمدهادی پاشائی صفحات 1-10

    در این مقاله تحلیل تغییر شکل الاستیک-پلاستیک پانل های کامپوزیتی ساندویچی به کار رفته در بدنه شناورها تحت بارگذاری انفجار انجام شده است. فرض شده لبه های پانل دارای تکیه گاه ساده باشند و فشار به صورت یکنواخت بر رویه خارجی آن اعمال گردد. برای صفحات کامپوزیتی داخلی و خارجی پانل ماده اورتتروپ با رفتار الاستیک در نظر گرفته شده است و هسته با مدل الاستیک - پلاستیک کامل دستخوش تغییر شکل می گردد. از تیوری غیر خطی مرتبه بالای بهبود داده شده جهت استخراج معادلات دینامیکی حرکت هسته استفاده شده است. اثر پارامترهای مختلف مانند ابعاد پانل، ضخامت لایه ها، مدت زمان نشست بار و دامنه بیشینه بارگذاری بر روی تغییر شکل پلاستیک هسته و شکست صفحات کامپوزیتی مورد توجه قرار داده شده است. نتایج عددی به دست آمده با نتایج حاصل از تحلیل المان محدود در نرم افزار انسیس مقایسه گردید که نشان از دقت و صحت بالای حل ارایه شده دارد. با توجه به نتایج به دست آمده مشخص گردید درنظر گرفتن تغییر شکل پلاستیک در تحلیل پانل ساندویچی می تواند مقادیر متفاوتی از تحمل این پانل ها در برابر بارگذاری انفجار حاصل نماید. همچنین نشان داده شد صفحات درونی پانل ساندویچی تنش های بزرگتری را تحمل نموده و خرابی پانل در اثر شکست لایه ها در این لایه اتفاق خواهد افتاد و محل آن به نوع فوم مورد استفاده در هسته وابسته است.

    کلیدواژگان: پانل ساندویچی، تغییر شکل پلاستیک، شکست، بارگذاری انفجار، مربعات تفاضلی-نیومارک
  • امین داداشی، غلامحسین رحیمی* صفحات 11-20

    مقاله ی حاضر به بررسی تجربی و عددی رفتار و چگونگی شروع و رشد آسیب در استوانه های کامپوزیتی رشته پیچی شده با الیاف شیشه ای/پلی استر تحت بارگذاری فشار جانبی بین صفحه های صلب موازی می پردازد. بدین منظور نمونه استوانه های کامپوزیتی به صورت صنعتی در شرکت دیبا فایبرگلاس با روش رشته پیچی گسسته با زاویه ی پیچش 75± ساخته شدند. نمونه ها تحت بارگذاری فشاری بین صفحه ی صلب موازی طبق استاندارد ASTM D2412-02 قرار گرفتند. در طی انجام آزمایش، نحوه ی رفتار سازه ی استوانه ی کامپوزیتی و چگونگی شروع و رشد آسیب در استوانه در مراحل مختلف بارگذاری ثبت شد. علاوه بر انجام آزمایش های تجربی، شبیه سازی عددی با استفاده از نرم افزار آباکوس انجام گرفت. به منظور لحاظ اثرات شروع و رشد آسیب، مدل آسیب هشین 3 بعدی استفاده شده است. جهت اعمال مدل آسیب هشین 3 بعدی، با بهره گیری از نرم افزار برنامه نویسی فرترن 77 زیر برنامه ای در قالب UMAT کد نویسی گردید. تعریف خواص مکانیکی و استحکام های شکست استوانه ی کامپوزیتی، بر اساس اندازه گیری خواص الیاف و رزین به طور جداگانه طبق استانداردهای مربوطه و با استفاده از روابط میکرو مکانیک لایه ها انجام گرفت. در تمامی آزمایش های انجام شده مشاهدات تجربی شامل سطح شکست به وجود آمده در اثر بارگذاری و علت وقوع مکانیزم های مختلف آسیب ایجاد شده مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. مقایسه ی نتایج حاصل از آزمایش های تجربی با نتایج حاصل از شبیه سازی عددی توافق مناسبی با یکدیگر دارند. بنابراین مدل سازی انجام شده قابلیت پیش بینی مناسب رفتار استوانه ی کامپوزیتی تحت شرایط بارگذاری مورد بررسی را داراست.

    کلیدواژگان: استوانه ی کامپوزیتی، شروع و رشد آسیب، معیار هشین 3 بعدی، زیربرنامه ی UMAT
  • امید ایزدی، پیمان مصدق* صفحات 21-30
    در این تحقیق به بررسی رفتار وابسته به زمان پلی آمید 6 و همچنین بررسی مدل کلی ماکسول جهت بیان این رفتار پرداخته می شود. به همین منظور، نمونه های کشش توسط قالبگیری تزریق پلاستیک ساخته می شوند و براساس آزمایش رهایی از تنش، نمونه مورد آزمایش قرار می گیرد. همچنین برای بررسی تاثیر دمای قالب بر خواص وابسته به زمان این نوع پلیمر، دو نمونه با دماهای قالب مختلف ساخته شده و مورد آزمایش قرار می گیرد. در پایان برای اعتبارسنجی مدل کلی ماکسول استفاده شده برای بیان درست رفتار وابسته به زمان پلیمر، یک شبیه سازی به روش المان محدود محدود از شکل گیری نمونه درون قالب تا لحظه خروج قطعه از قالب و سرد شدن در محیط به کمک ارتباط دو نرم افزار مولدفلو و آباکوس انجام گردیده که میزان اعوجاج پلیمر با استفاده از ضرایب استخراج شده از این مدل با میزان اعوجاج نمونه در عمل مقایسه می گردد. نتایج حاکی از آن است که دمای قالب اثر خیلی کمی بر خواص وابسته به زمان این نوع پلیمر دارد و همچنین مقایسه میزان اعوجاج نمونه بین شبیه سازی و تجربی که اختلاف 13 درصد با هم دارند، نشان می دهد که مدل کلی ماکسول به خوبی رفتار وابسته به زمان پلی آمید 6 را بیان می کند. لذا با توجه به اعتبارسنجی شبیه سازی صورت گرفته با نمونه تجربی، از این شبیه سازی می توان جهت پیش بینی میزان اعوجاج نمونه و همچنین بررسی اثر پارامترهای فرآیندی مختلف بر رفتار آن را قبل از تولید و صرف هزینه، استفاده کرد.
    کلیدواژگان: رفتار ترمومکانیکی، ویسکوالاستیک، اعوجاج، پلی آمید 6
  • امیررضا شاهسونی*، سید حجت هاشمی صفحات 31-40

    عوامل متعددی در تعیین تجربی انرژی شکست شارپی دخالت دارند. به عنوان مثال زاویه شیار اولیه، عمق شیار، شعاع ریشه شیار، خروج از مرکز شیار نسبت به مرکز جرم چکش، ابعاد مقطع نمونه، شعاع و فاصله تکیه گا ه ها، هندسه و سرعت ضربه چکش، و روش ایجاد شیار اولیه مانند خان کشی یا ماشین کاری؛ مطالعه تغییرات این پارامترها و بررسی اثر کمی این تغییرات بر انرژی نهایی اندازه گیری شده اهمیت فراوانی دارد. آزمایش ضربه شارپی روی نمونه فولادی از جنس ایکس شصت و پنج با شعاع متفاوت شیار در بازه 13/0 تا 41/0 میلی متر انجام و انرژی شکست اندازه گیری می شود. سپس ارتباط انرژی شکست شارپی بعنوان تابعی از تغییرات شعاع شیار اولیه تعیین می شود. با استفاده از این رابطه می توان با معلوم بودن ابعاد هندسی شیار اولیه (با احتساب تلرانس های مجاز قید شده در استاندارد)، میزان خطا در اندازه گیری انرژی شکست شارپی فولاد آزمایش شده را تعیین نمود. علاوه بر بررسی تجربی مقادیر انرژی شکست، نمونه های آزمایش ضربه در نرم افزار آباکوس به صورت سه بعدی شبیه سازی شد. سپس با تعریف ضرایب مدل اصلاح شده آسیب گرسون در این شبیه سازی و بدست آوردن نمودار نیرو-جابجایی مقدار انرژی شکست محاسبه و با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است. نتایج حاصله از شبیه سازی تطابق مناسبی با نتایج آزمایش های تجربی دارند.

    کلیدواژگان: فولاد API X65، آزمایش ضربه شارپی، شعاع شیار Vشکل، لوله فولادی انتقال گاز، مدل آسیب گرسون
  • محمدامین قاسمی، سید رضا فلاحتگر* صفحات 41-50

    پوشش دهی قطعات و اجزاء در صنایع مختلف به منظور بهبود خواص سطح آن ها انجام می شود. در این بین، پوشش های ترد در کاربردهایی نظیر افزایش مقاومت در برابر خوردگی و حرارت بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. مود آسیب غالب در این ساختارها، ایجاد ترک و گسترش آن است، از این رو بررسی رفتار شکست در این ساختارها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این مقاله، از روش المان گسسته برای شبیه سازی فرآیند ایجاد آسیب اولیه و گسترش آن در ساختارهای شامل پوشش و بستر، به دلیل قابلیت بالای آن در پیش بینی این فرآیند، استفاده شد. رفتار پوشش و بستر به صورت ترد الاستیک در نظر گرفته شد و اثر پارامترهای اختلاف ضرایب الاستیک اجزای تشکیل دهنده و ضخامت پوشش بر گسترش آسیب مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد، در ساختارهایی که سفتی پوشش به مراتب کم تر از سفتی بستر است، در ضخامت های کم پوشش، مود غالب آسیب، ایجاد ترک و گسترش آن به داخل بستر است، در حالی که با افزایش ضخامت پوشش، گسترش ترک به داخل و یا به موازات فصل مشترک بین پوشش و بستر اتفاق افتاد. اما در ساختارهایی که در آن سفتی پوشش بزرگ تر از بستر است، بدون توجه به ضخامت پوشش، گسترش آسیب به داخل بستر نفوذ کرد.

    کلیدواژگان: ساختارهای پوشش-بستر، پوشش ترد، روش المان گسسته، گسترش آسیب
  • بابک کتانچی*، نقدعلی چوپانی، جعفر خلیل علافی، مصطفی باغانی صفحات 51-60

    در سال های اخیر، آلیاژهای حافظه دار مخصوصا آلیاژ نیکل- تیتانیوم، به عنوان گروهی از مواد هوشمند مورد توجه صنایع بسیاری قرار گرفته اند. پدیده تغییر فاز مارتنزیتی در آلیاژ های حافظه دار، مهم ترین عامل در بروز رفتار منحصر به فرد آن ها می باشد. در این مقاله، تشکیل مارتنزیت متاثر از تنش در نوک ترک نمونه-های سوپرالاستیک نیکل-تیتانیوم (% 8/50 نیکل) به کمک روش انسجام تصویر دیجیتالی (DIC) مورد بررسی قرار گرفت. به طور خاص، نمونه های ترک لبه ای (SEC) تحت بارگذاری مکانیکی خستگی قرار گرفتند و اندازه طول ترک و همچنین میدان های جابجایی در نوک ترک نمونه ها به کمک تکنیک DIC اندازه گیری و محاسبه شدند. کنترل طول ترک در طی آزمایش خستگی، با استفاده از دوربینی با بزرگنمایی بالا انجام شد. در ادامه، ضرایب شدت تنش بر اساس استاندارد بین المللی ASTM E647-15 بدست آمدند. نتایج بدست آمده از تحلیل شکست نمونه های سوپر الاستیک نشان می دهند که با افزایش مقدار نسبت بار (R)، مقادیر ضریب شدت تنش آستانه خستگی کاهش پیدا می کنند. در مقاله حاضر، برای نسبت بار 05/0 R= در طی فرآیند رشد ترک، مقدار آستانه خستگی برابر با 〖∆K〗_th=17 MPa√m می باشد، در حالیکه مقدار ضریب شدت تنش، پیش از گسیختگی نهایی در حدود MPa√m 35 برآورد شد. همچنین، به عنوان روشی نوین در مشاهده پدیده تغییر فاز مارتنزیتی، تصاویر بدست آمده از تحلیل DIC، تشکیل مارتنزیت متاثر از تنش در نوک ترک نمونه ها را نشان دادند.

    کلیدواژگان: آلیاژهای حافظه دار نیکل-تیتانیوم، تغییر فاز مارتنزیتی، خستگی، نرخ رشد ترک، روش انسجام تصویر دیجیتالی
  • امیر خدابخشی، حسن اسدی گیلاکجانی* صفحات 61-70
    امروزه، با توجه به معایب گسترده ی لوله های فلزی نظیر خوردگی از داخل و خارج، عدم شکل پذیری آسان، رسوب پذیری زیاد بدلیل زبری زیاد جداره ی داخلی و جذب زیاد املاح، افت فشار بالا بدلیل ناصافی سطح داخلی، وزن زیاد و مشکلات نصب و عمر کم و... استفاده ی روزافزون از لوله های پلیمری در حوزه ی وسیعی از خطوط لوله ی شهری، صنعتی، دریایی، حفاری و کشاورزی مورد توجه قرار گرفته است. بررسی میزان آسیب وارد بر لوله های کامپوزیتی تقویت شده با الیاف شیشه تحت زوایای مختلف در اثر فشار داخلی که در درازمدت در اثر پدیده ی خزش ممکن است دچار شکست شوند کمتر مورد توجه قرار گرفته است. از این رو، در تحقیق حاضر به شبیه سازی شکست با معیارهای تسای-وو و هاشین با روش اجزاء محدود و با استفاده از نرم افزار آباکوس و همچنین بازشدگی دهانه ی ترک در اثر فشار داخلی در این لوله ها با لایه چینی های مختلف با معیار انتگرال J پرداخته شده است. نتایج تحقیق حاضر نشان می دهد که زمینه ی لوله ی کامپوزیتی تحت کشش و الیاف این لوله که تحت فشار و کشش قرار دارند دچار شکست نشده اما زمینه ی لوله ی کامپوزیتی تحت فشار، دچار شکست شده است. با توجه به نتایج بدست آمده برای هر ده لایه در زوایای لایه چینی از [(30)]تا[(60)] میزان شاخص شکست کمتر از یک است اما، در آرایش های لایه چینی [(70)]، [(80)]و [(90)] مقدار این شاخص بیشتر از یک بوده در نتیجه، لوله ی کامپوزیتی دچار گسیختگی شده است. همچنین، ضریب شدت تنش در زاویه ی لایه چینی [(55)] دچار افت ناگهانی شده اما با افزایش زاویه، مقدار این ضریب افزایش یافته است.
    کلیدواژگان: لوله های GRP، تحلیل شکست، روش اجزاء محدود، انتگرال J، ضریب شدت تنش
  • تاج بخش نوید چاخرلو، پویا شهریاری* صفحات 71-80
    ورق های دارای انبساط سرد به صورت گسترده در اتصالات پیچ و مهره که تحت نیروی پیش بار می باشند، بکار می روند. مطالعات گذشته در مورد تاثیر انبساط سرد و نیروی پیش بار بر روی رفتار خستگی در اتصالات پیچ و مهره نشان داده اند که میزان درصد انبساط سرد به صورت قابل توجهی بر روی رفتار خستگی اتصالات تاثیر گذار بوده و احتمال وقوع خستگی سایشی را افزایش می دهد. برای درک بهتر این پدیده لازم است تا اطلاع دقیقتری در مورد تاثیر انبساط سرد بر روی تغییرات نیروی اصطکاک در طول بارگذاری خستگی سایشی و تاثیر آن بر روی توزیع تنش در نواحی اطراف محل تمرکز تنش بدست آورد. بدین منظور در این مقاله، با طراحی دستگاه مناسب، شرایط بارگذاری خستگی سایشی بر روی ورق های سوراخدار ایجاد شده و نمونه های دارای انبساط سرد تحت شرایط بارگذاری مختلف قرار گرفته اند. همچنین از شبیه سازی عددی به منظور تخمین توزیع تنش های پسماند ناشی از انبساط سرد و بررسی تاثیر آن بر روی رفتار خستگی سایشی استفاده شده است. جهت مقایسه مقاومت خستگی سایشی در نمونه های مختلف از پارامتر اسمیت واتسون تاپر استفاده شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهند که انجام انبساط سرد تاثیر تمرکز تنش را در نواحی نزدیک به سوراخ کاهش می دهد. این در حالی است که در نواحی دورتر از سوراخ به دلیل ایجاد تنش های پسماند کششی احتمال وقوع خستگی سایشی را افزایش می دهد.
    کلیدواژگان: خستگی مالشی، انبساط سرد، روش المان محدود
  • مجید شهروی*، احمدرضا شاه ملاقمصری، احمدرضا اکبری صفحات 81-90

    امروزه بالا رفتن بار محوری و سرعت در سیستم های حمل ونقل ریلی باعث شده است مقدار فشار وارده به سطح و انرژی تلف شده افزایش یافته و موجب سایش شدید پروفیل های سوزن به خصوص در محل تقاطع سوزن گردد. یکی از سوانحی که بیشترین آسیب های مالی و جانی برای راه آهن کشورها را به همراه دارد؛ خروج از خط ناوگان در محل تقاطع سوزن هاست. همانطور که ذکر شد، با توجه به اهمیت بالای سوزن در این پژوهش سعی شده است تا با بررسی این پدیده و واکاوی تیوری-های حاکم و همچنین جمع آوری اطلاعات، نقش و تاثیر آسیب های ناشی از سایش سوزن های سامانه ریلی به خصوص در ایران بررسی شده و ضرورت و نیاز وجود چنین تحقیقاتی در این مورد توضیح داده شود. در واقع این مطالعات مقدمه ای بر بررسی این پدیده می باشد.در ادامه حرکت قطار روی سوزن در نرم افزار UMشبیه سازی شده و میزان نیروهای وارده به سوزن و انرژی سایش استخراج می گردد. همچنین تاثیر پارامترهای مختلف از قبیل سرعت، بار محوری و پروفیل سوزن در میزان سایش مورد بررسی قرار می گیرد. سپس سوزن های مورد نظر در نرم افزار کتیا مدلسازی شده و در نرم افزار آباکوس نیروهای استخراج شده از شبیه سازی UMبه سوزن وارد گردیده و تنش ، کرنش و دفرمگی سوزن ها بررسی شده اند.

    کلیدواژگان: سوزن، سایش، تغییر شکل پلاستیک، المان محدود
  • علی علی جانی*، مرتضی خمامی ابدی صفحات 91-100
    در این مقاله، یک حل تقریبی بر مبنای روش رایلی، برای تحلیل رفتار مودال تیر اویلر-برنولی دارای ترک روی بستر الاستیک ارایه می شود. مدلسازی بستر الاستیک با استفاده از تیوری فنر ارتجاعی وینکلر انجام و میزان سفتی فنر، متناظر با خواص مادی بستر الاستیک مشخص می گردد. تابع دلتای دیراک برای اعمال مود باز شدگی ترک در معادله رایلی بکار گرفته می شود که در آن ضریب مربوط به این تابع می تواند برحسب ضریب سفتی یک فنر پیچشی متناظر و با درنظر گرفتن پارامترهای مادی و هندسی ترک مشخص گردد. در تحلیل حاضر، روابط صریح جدیدی برای محاسبه فرکانس طبیعی تیر دارای ترک روی بستر الاستیک در سه شرط مرزی ساده-ساده، گیردار-گیردار و گیردار-آزاد ارایه می شود. در این روش، فرکانس طبیعی در مود اول ارتعاش تیر دارای ترک روی بستر الاستیک به صورت نسبت انرژی پتانسیل غنی شده ماکزیمم و انرژی جنبشی ماکزیمم تعیین می گردد. اثرات عمق ترک، محل ترک و بستر الاستیک روی پاسخ فرکانس طبیعی تیر بر پایه روابط استخراج شده بررسی می شود. نتایج تحلیل ها نشان می دهد؛ با افزایش عمق ترک، فرکانس طبیعی تیر ترک خورده کاهش می یابد؛ درحالیکه بستر الاستیک موجب افزایش فرکانس طبیعی تیر دارای ترک می شود. مقایسه نتایج روابط پیشنهاد شده با نتایج مدلسازی کامل سازه در نرم افزار آباکوس نشان می دهد که تحلیل حاضر از دقت مناسبی برخوردار است.
    کلیدواژگان: روش رایلی، فرکانس طبیعی، تیرهای دارای ترک، بستر الاستیک، فنر پیچشی
  • افشین تقوایی پور*، محمدتقی احمدیان صفحات 101-110

    هدف از این مقاله تعریف یک سوپرالمان برای استفاده در تحلیل های استاتیکی و ارتعاشی استوانه های ساخته شده از مواد پیزوالکتریک می باشد. بدین ترتیب ابتدا به معرفی یک سوپر المان استوانه ای که پیش از این در تحلیل های استاتیکی و ارتعاشی سازه های استوانه ای توخالی ارایه گردیده بود، پرداخته می شود. سپس این المان جهت استفاده در تحلیل سازه های استوانه ای ساخته شده از مواد پیزوالکتریک تعمیم داده می شود. در این راستا، ابتدا به بررسی روابط المان محدود مربوط به مواد پیزوالکتریک و استخراج ماتریس های سختی و جرم مرتبط با این مواد پرداخته می شود. سپس با استفاده از مفهوم سوپر المان و ماتریس های بدست آمده، سوپرالمان استوانه ای پیزوالکتریک ارایه می گردد. در نهایت به منظور صحت سنجی المان تعریف شده، این سوپر المان جهت تحلیل های استاتیکی و ارتعاشی سازه ای استوانه ای ساخته شده از مواد پیزوالکتریک مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین، نتایج بدست آمده از روش سوپرالمان با آنچه از نرم افزار ANSYS و با استفاده از المان های موجود مقایسه می شود. یکی از مهمترین نقاط قوت المان تعریف شده در مواردی است که خواص ماده در راستای شعاعی تغییر می نماید. بدین ترتیب، درانتها توانایی سوپرالمان تعریف شده در تحلیل های استاتیکی و ارتعاشی سازه های استوانه ای ساخته شده از مواد پیزوالکتریک هدفمند نیز مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

    کلیدواژگان: تحلیل استاتیکی، تحلیل ارتعاشی، سوپر المان استوانه ای، المان محدود، مواد پیزوالکتریک هدفمند
  • سعید منصوری، روح الله حسینی* صفحات 111-120

    با توجه به این که منابع انرژی جهان رو به کاهش است برداشت انرژی رایگان از محیط پیرامون اهمیت و جایگاه خاصی پیدا کرده است. از مهمترین روش های برداشت انرژی از ارتعاشات محیطی برداشت انرژی از مواد پیزوالکتریک می باشد و اخیرا محققان بر روی بهینه سازی این نوع برداشت کننده های انرژی متمرکز شده اند. در این مقاله به بررسی تجربی و عددی اثر کاهش عرض تیر بر میزان برداشت انرژی از تیر یکسرگیردار حامل پیزوالکتریکی که حرکت هارمونیک دارد، پرداخته شده است. در این پژوهش از یکی از جدیدترین مواد پیزوالکتریک بنام EAPap سلولزی استفاده شده است. در ابتدا یک تیر با عرض ثابت مورد بررسی قرار گرفته است و سپس دو تیر که عرض هر کدام نصف عرض تیر اولیه می باشند با همان شرایط مرزی به حالات موازی و سری مورد تحلیل واقع شده اند و در مرحله بعدی تیر واحد را به سه قسمت مساوی تقسیم کرده و حالات سری و موازی این تیرها مورد بررسی قرار گرفته اند و نتایج با داده های آزمایشگاهی مقایسه شده اند. ملاحظه می شود که اگر عرض یک تیر را به چند قسمت مساوی تقسیم کرده و چند تیر با عرض کمتر ایجاد شود و بصورت سری به یکدیگر متصل گردند، میزان برداشت انرژی در این حالت از تیر واحد اولیه به طور قابل توجهی بیشتر خواهد بود.

    کلیدواژگان: برداشت انرژی، پیزوالکتریک، تیریکسرگیردار، حرکت هارمونیک، اتصال سری و موازی
  • محمدمصطفی محمدی* صفحات 121-130

    کریستال کوارتز از جمله مواد پیزوالکتریک است و با اعمال ولتاژ الکتریکی متناوب، میتوان در این کریستال ارتعاش مکانیکی ایجاد کرد. فرکانس طبیعی این ارتعاش به با اعمال تنش و تغییر دمای کریستال تغییر میکند. به همین علت از این کریستال در ساخت انواع نیرو سنج ها و حسگر های دمایی استفاده می شود. در این مقاله یک حسگر نیروی دیجیتال بر اساس اثر نیرو-فرکانس در کریستال کوارتز AT-Cut طراحی و شبیه سازی شده است. این حسگر در دو مود کاری قابل فعال سازی است. در مود اول، حساسیت حسگر نسبت به نیرو بیشینه است. در مود دوم خطای دمایی حسگر کاهش می یابد. خروجی حسگر نیرو با ترکیب روش المان محدود و مدل سازی ریاضی بدست آمده است. جهت ارزیابی مدل از مطالعات تجربی پیشین در باره ضریب نیرو فرکانس بهره گرفته شده است. همچنین اثر زوایای اعمال نیرو و طول لبه تکیه گاه اعمال نیرو بر خطای دمایی حسگر و حساسیت آن در هر دو مود کاری بررسی شده است. خروجی حسگر در بازه دمایی صفر الی صد درجه سانتیگراد بدست آمده است. حسگر دو حالته طراحی شده، امکان افزایش تفکیک (resolution) و میزان دقت اندازه گیری نیرو را در دمای اتاق و کاهش خطای اندازه گیری (accuracy) در دماهای غیر دمای اتاق را می دهد.

    کلیدواژگان: حسگر نیروی دو حالته، کوارتز، اثر نیرو فرکانس، خطای دمایی، مدل سازی پاسخ
  • عطیه اندخشیده*، حسین کارامد صفحات 131-140
    در این پژوهش، دینامیک غیرخطی میکروصفحه غیرکلاسیک کیرشهف تحلیل، محدوده رفتار آشوبناک در آن پیش بینی و با طراحی کنترلر مقاوم تطبیقی فازی، کنترل می شود. برای استخراج معادله حاکم بر میکروصفحه کیرشهف بر روی بستر الاستیک غیرخطی، از اصل جابجایی مجازی استفاده شده است. معادله حاکم، با در نظر گرفتن غیرخطی هندسی فون-کارمن و براساس تیوری الاستیسیته تنش کوپل اصلاح شده، استخراج میگردد. معادله مقدار ویژه حاصل برای شرایط مرزی ساده حل شده و نتایج بدست آمده اعتبار سنجی می گردد. در گام بعد، با فرض تحریک هارمونیک مود اول، روش گلرکین به کاربرده می شود و معادله ارتعاشات اجباری میکروصفحه بدست می آید. سپس آستانه آشوب با صرف نظر از برهم کنش مودها تحلیل می گردد. مدارهای هموکلینیک سیستم بدون اغتشاش رسم شده و برخورد منیفلدهای پایدار و ناپایدار که معیاری برای پیش بینی آشوب است، با استفاده از روش ملنیکف بررسی می شود. همچنین، با استفاده از روش عددی حداکثر نمای لیاپانوف، آشوب وابسته به ابعاد، به صورت موضعی شناسایی می گردد. نمودارهای صفحه فاز، نگاشت پوانکاره و پاسخ زمانی برای مقادیر مختلف نسبت ابعادی رسم شده و تاثیر چشمگیر ابعاد در رفتار آشوبناک میکروصفحه نمایش داده می شود. نتایج این بررسی نشان می دهد که آشوب در میکروصفحه وابسته به ابعاد است و استفاده از تیوری های غیرکلاسیک برای تحلیل آشوب میکروصفحات یک ضرورت است. در ادامه، با طراحی کنترلر مقاوم تطبیقی فازی، ارتعاشات آشوبناک به کلی از سیستم حذف می شود و کنترلر مقاوم تطبیقی فازی به عنوان یک روش کارآمد برای کنترل آشوب در این سیستم ها معرفی می گردد. نتایج این پژوهش در فرآیند تولید، بهینه سازی و کنترل سیستم های نانوالکترومکانیکی کاربرد دارند.
    کلیدواژگان: سیستم های نانوالکترو مکانیکی، کنترلر مقاوم تطبیقی فازی، تئوری تنش کوپل اصلاح شده، نانوصفحه کیرشهف، آشوب
  • سید مجتبی سید موسوی، مهدی طالع ماسوله*، احمدرضا خوگر صفحات 141-150

    از مکانیزم موازی کروی برای دوران جسم حول یک نقطه ثابت استفاده می شود. تاکنون با استفاده از سنتز نوعی، آرایش های سینماتیکی مختلفی برای این ربات با سه درجه آزادی دورانی بدست آمده است. متداول ترین ساختار مورد استفاده برای این ربات، آرایش سینماتیکی 3-RRR است که ساختاری بیشینه مقید بوده و موجب دشواری هایی در ساخت و مونتاژ این ربات می شود اما در کنار آن مزایایی نظیر دقت زیاد را داراست. در این مقاله دو ساختار نابیشینه مقید 3-RRS و 3-RSR مستخرج از سنتز نوعی که قابلیت ساخت دارند، از نقطه نظر دقت بر اساس لقی مفاصل با ساختار بیشینه مقید مورد مقایسه قرار گرفته اند. بدین منظور ابتدا مدلی برای خطای سکوی متحرک بر مبنای لقی مفاصل معرفی شده است که به یک مسیله بهینه سازی محدب منجر می شود. سپس بیشینه شش مولفه خطای سکوی متحرک در بیش از 1000 جهت گیری مختلف از فضای کاری تعریف شده برای هر یک از ربات ها محاسبه شده است. نتایج نشان دادند که خطای مجری نهایی به پیکربندی ربات بستگی دارد. همچنین با مقایسه نتایج مشخص شد که ساختار 3-RRR خطای جابجایی نقطه ای کمتری نسبت به سایرین دارد، در حالی که خطای جهت گیری ساختار 3-RRS کمتر از دو ساختار دیگر است که نشان می دهد می توان از ساختارهای نابیشینه مقید به جای ساختار بیشینه مقید در طراحی این ربات استفاده نمود. در نهایت نیز مقایسه ای بین شاخص های عملکردی کینتواستاتیکی با مدل ارایه شده در این مقاله صورت گرفته است و نتایج نشان دادند که شاخص حساسیت سینماتیکی بیشترین مطابقت را با میزان دقت ربات دارد.

    کلیدواژگان: ربات موازی کروی، تحلیل دقت، لقی مفصل، حساسیت سینماتیکی
  • موسی رضائی*، میرمحمد اتفاق، رضا فتحی صفحات 151-160

    در سال های اخیر استفاده از اتوبالانسر دینامیکی ساچمه ای برای رفع نابالانسی های متغیر با شرایط کاری، بیش از پیش مورد توجه محققان قرار گرفته است. اتوبالانسر دینامیکی ساچمه ای وسیله ای است که بطور خودکار نابالانسی های متغیر با شرایط کاری را بدون نیاز به متوقف کردن تجهیزات دوار در شرایط خاص رفع و سیستم را بالانس می کند. بالانسر اتوماتیک ساچمه- فنر نوع جدیدی از بالانسرهای اتوماتیک ساچمه ای می باشد و مزیت اصلی آن نسبت به اتوبالانسرهای ساچمه ای متداول، کاهش دامنه ارتعاشی روتور در ناحیه گذرا و وسیع بودن ناحیه بالانس پایدار است. یاتاقان ها یکی از مهمترین اجزا تاثیرگذار بر رفتار دینامیکی و پایداری سیستم های دوار هستند و در پژوهش های پیشین رفتار دینامیکی و پایداری روتور مجهز به اتوبالانسر ساچمه- فنر با یاتاقان های همگن بررسی شده است. در عمل، به دلایل مختلف از جمله ساخت، یاتاقان ها دارای رفتار غیرهمگن می باشند. در این پژوهش برای اولین بار رفتار دینامیکی و پایداری روتور نابالانس با یاتاقان های غیرهمگن مجهز به اتوبالانسر ساچمه- فنر با استفاده از روش نیمه تحلیلی مقیاس های چندگانه بررسی شده است. نتایج حاکی از این است غیرهمگن بودن یاتاقان ها خللی در مزیت های اصلی اتوبالانسر ساچمه- فنر وارد نمی کند و در ضمن افزایش پارامتر غیرهمگنی یاتاقان ها سبب کاهش ناحیه بالانس پایدار روتور مجهز به اتوبلانسر می شود.

    کلیدواژگان: اتوبالانسر ساچمه- فنر، یاتاقان های غیرهمگن، روش مقیاس های چندگانه، پاسخ ارتعاشی، ناحیه بالانس پایدار
  • سعیدخان کلانتری، صدرا رفعت نیا، حسن محمدخانی*، محسن حاجی زاده صفحات 161-170

    در سامانه های ناوبری اینرسی متصل به بدنه، به دلیل وجود عدم قطعیت های ناشی از نویز، بایاس و دریفت حسگرهای اینرسی ارزان قیمت، خطای موقعیت یابی در مدت زمان کوتاه، افزایش چشمگیری پیدا می کند. بنابراین ترکیب آن با یک سامانه کمکی مانند سامانه موقعیت یاب جهانی به منظور کاهش خطای سامانه ناوبری اینرسی توسط یک الگوریتم تخمین زن مناسب پیشنهاد می شود. اما در مناطق شهری به دلیل نزدیکی به درختان و ساختمان های بزرگ امکان قطعی سیگنال سامانه موقعیت یاب جهانی وجود دارد. در همین راستا به منظور ارایه داده های قابل اطمینان در مواقع قطعی سیگنال سامانه موقعیت یاب جهانی، در این مقاله به ارایه الگوریتم تخمین مقید تطبیقی برای سامانه ترکیبی ناوبری اینرسی- موقعیت یاب جهانی پرداخته می شود. در این تخمین زن، ابتدا قیودی مناسب با استفاده از فرضیاتی در مورد سرعت های خودرو در مختصات بدنه و همچنین قیود ارتفاع براساس داده های فشارسنج تعریف شده و سپس به ارایه الگوریتم تخمین مقید براساس قیود تعریفی پرداخته می شود. همچنین به منظور کاهش خطای تخمین از منطق فازی نوع 2 برای تنظیم پارامترهای تخمین زن متناسب با مانور خودرو استفاده می شود. به منظور پیاده سازی و مقایسه الگوریتم ارایه شده و صحه گذاری آن از تست خودرو استفاده می شود. نتایج حاصل از تست نشان می دهد که با استفاده از الگوریتم طراحی شده، دقت تخمین متغیرهای حالت ناوبری اینرسی نسبت به حالت نامقید به میزان قابل توجهی افزایش خواهد یافت.

    کلیدواژگان: سامانه ناوبری اینرسی متصل به بدنه، سامانه موقعیت یاب جهانی، تخمین مقید، منطق فازی نوع 2، قطعی سیگنال
  • محمود مزارع، احسان داودی، مصطفی تقی زاده*، مهدی پورقلی صفحات 171-180
    کوادروتور یک وسیله پرنده با 6 درجه آزادی است که قابلیت پرواز عمودی و انجام مانورهای پیچیده را داراست. کوادروتورها به سبب ساختار ذاتی خود مصرف انرژی بالایی دارند و از همین رو حداقل کردن انرژی مصرفی آنها به سبب افزایش زمان پروازی و برد عملیاتی آنها، بسیار مهم می باشد. در این مقاله به منظور بیشینه کردن زمان عملیاتی کوادروتور، الگوریتم برنامه ریزی مسیر حداقل انرژی و کنترل بهینه برای حرکت بین دو نقطه مشخص ارایه می شود. به منظور نیل به این هدف ابتدا معادلات دینامیکی کوادروتور و موتور استخراج شده، سپس با معرفی انرژی کل مصرفی باتری بعنوان تابع هزینه عملی و با استفاده از تیوری کنترل بهینه، مسیر حداقل انرژی تعیین می شود. تمامی قیود موجود نیز از طریق ضرایب لاگرانژ وارد معادلات همیلتونین شده تا مسیر حداقل انرژی بدست آمده، تمامی آنها را ارضا نماید. در انتها نتایج بدست آمده از شبیه سازی با نتایج پروفایل سرعت ذوزنقه ای مرسوم مقایسه شده که ذخیره انرژی تا چهار درصد را در مقایسه با پروفایل سرعت ذوزنقه ای مرسوم نشان می دهد. نتایج همچنین نشان می دهند که مدت زمان پرواز نسبت به طول مسیر تاثیر بیشتری در مصرف انرژی دارد. همچنین با استفاده از نتایج شبیه-سازی در وضعیت های مختلف، یک رابطه کمی بین طول مسیر و مدت زمان پرواز با میزان مصرف انرژی توسط کوادروتور استخراج شده که می تواند در تخمین حداکثر برد پرواز یا مدت زمان پرواز با توجه به میزان انرژی باتری بسیار سودمند باشد.
    کلیدواژگان: کوادروتور، مسیر حداقل انرژی، کنترل بهینه، معادلات همیلتونین
  • مصطفی نظری*، علی غفاری، مهدی شفیق صفحات 181-190
    هدف اصلی در این مقاله طراحی یک روش بهینه با درنظر گرفتن شرایط خاص یک بیمار برای درمان سرطان است، بطوریکه بیماری قادر به بازگشت نباشد. مساله مهمی که در بسیاری از مطالعات قبلی کمتر مورد توجه قرار گرفته است، ناپایدار بودن نقطه تعادل بدون تومور در پایان درمان است. بدین معنی که بعد از توقف شیمی درمانی، مسیر حرکت سیستم از نقطه تعادل بدون تومور دور می شود و سلول های تومور دوباره شروع به رشد می کنند. برای برطرف کردن این مشکل، یا باید در تمام طول زندگی بیمار شیمی درمانی را ادامه دهیم که از منظر بیولوژیکی عملی نبوده، و یا این نقطه تعادل را پایدار کنیم. در این مقاله برای رسیدن به درمان زمان محدود از منطق دوم استفاده می کنیم؛ یعنی از واکسن درمانی برای تغییر دینامیک سیستم حول نقطه تعادل بدون تومور استفاده می شود و شیمی درمانی برای بردن سیستم به ناحیه جذب این نقطه تعادل اعمال می گردد که منطق جدیدی برای درمان سرطان است. برای ارزیابی میزان اصلاح سیستم از تیوری پایداری لیاپانوف استفاده شده است. برای بهینه سازی شیمی درمانی، دو تابع هدف متعارض را هم زمان بهینه می کنیم، به گونه ای که اندازه تومور و اثرات جانبی داروی بر روی بیمار کمینه شوند. شرایط بیمار از قبیل سن و بیماری نیز درنظر گرفته شده اند.
    کلیدواژگان: مدل ریاضی سرطان، شیمی درمانی، واکسن درمانی، بهینه سازی چند هدفه، درمان زمان محدود
|
  • Ali Maleki *, Seyed Ali Ahmadi, MohammadHadi Pashaei Pages 1-10

    In this paper, the elastic-plastic deformation response of cylindrical sandwich panels using ship hulls under the action of external blast loading has been obtained. It is assumed that the sandwich panel has simply supported boundary at all edges and consist of elastic orthotropic face sheets and a foam core layer with elastic-perfectly plastic behavior. Three-dimensional equations of motions based on the non-linear high-order theory have been used to describe the sandwich panel core deformations. The effects of various parameters including the panel span, core and facing thickness, pulse duration and maximum pressure on the plastic deformation of the core and sandwich panel facesheet fracture are studied. The results obtained from the present method are compared with finite element solutions using commercial software ANSYS and a good agreement among the results could be observed. It concluded that there is different blast resistant for sandwich panels with core pure elastic and elastic-plastic behavior. Also, it can be seen that inner facesheet of sandwich panels carried larger stresses than outer ones and causes panel fracture that for various foams occur in different place.

    Keywords: sandwich panel, Plastic Deformation, facesheet fracture, Blast Loading
  • Amin Dadashi, GholamHosein Rahimi * Pages 11-20

    The present paper examines the experimental and numerical investigations of the behavior and initiation by development of the filament wound glass fiber/polyester composite cylinders under loading of the pressure between the by parallel rigid plates.For this purpose, composite cylinder samples were manufactured industrially in DIBA Fiberglass Corporation using a discrete filament winding method with winding angle equal to ±75 degree. The samples were pressurized by means of two parallel rigid plates according to ASTM D2412-02 standard. During the test, the behavior of the composite cylinder structure and initiation by development the damage in the cylinder were recorded at different stages of loading. In addition to performing experimental tests, numerical simulation was performed using ABAQUS commercial software. In order to take into account the effects of initiation by development of damage, the 3D Hashin damage model has been used. To apply Hashin’s three dimensional damage model, a UMAT subroutine coding procedure was conducted using Fortran 77 program. Mechanical properties and composite cylinder fracture strengths were obtained by measuring fiber and resin properties based on the relative standard and then separately by micro mechanical relations concerning the layers. In all test, experimental observations, including the level of failure due to loading and the cause of the occurrence of different mechanisms of damage, have been discussed. Comparison of the results of the experimental tests with the result of numerical simulation has a good agreement with each other. Therefore, the simulation has potential for predicting behavior of the composite cylinders under the loading conditions.

    Keywords: Composite cylinder, onset, growth of damage, 3D Hashin criteria, UMAT subroutine
  • Omid Izadi, Peiman Mosaddegh * Pages 21-30
    This research focuses on investigating the time-dependent behavior of polyamide 6 and using the generalized Maxwell model for prediction of this behavior. To achieve this goal, tensile specimens are manufactured via injection molding process and then are tested based on stress relaxation trials. Moreover, two specimens manufactured with different mold temperatures are tested to investigate the effect of the mold temperature on the time-dependent behavior of this kind of polymer. Finally, to evaluate the ability of generalized Maxwell model to predict the time-dependent behavior of polyamide 6 correctly, a finite element simulation is carried out via link between Moldflow and Abaqus software. In these simulations, the amount of warpage occurring in the specimen obtained from this model is compared with experimental finding. The results show that the mold temperature has a negligible effect on the time-dependent behavior of this polymer and also, there is a good agreement between simulation and experimental results of warpage with mean error of 13%. Therefore, the generalized Maxwell model is good enough to predict the time-dependent behavior of polyamide 6. On the other hand, this methodology can be used prior to making real parts to prevent the high cost of manufacturing
    Keywords: Thermo-mechanical behavior, Viscoelastic, Warpage, Polyamide 6
  • AmirReza Shahsavani *, Sayyed Hojjat Hashemi Pages 31-40

    Different factors such as initial notch angle, notch depth, notch root radius, notch, specimen size, hammer geometry and striker velocity, and initial notch creation method (i.e. broaching and machining) influence the experimental determination of Charpy impact energy. Thus, the study of the influence of these parameters on Charpy fracture energy is important. In the present research, Charpy impact experiments are conducted on test specimens made from API X65 steel (used for gas transportation pipelines). The tests samples have standard size with different notch radius (within the range of 0.13 - 0.41 mm). By measurement of fracture energy, Charpy impact energy is determined as a function of variations of initial crack radius. Through having geometrical dimensions of the initial notch and considering the stated standard tolerance the aforementioned function allows the determination of measurement error of API X65 steel Charpy impact energy. Then, the test samples are modeled as 3D in ABAQUS using Gurson damage theory. The comparison of test and simulation results for different notch radius are presented in details and compared.

    Keywords: API X65 Steel, Charpy Impact Test, 'V' notch radius, Gas transportation pipeline, GTN model
  • M. A. Ghasemi, Seyed Reza Falahatgar * Pages 41-50

    Coatings are used in different industries in order to improve the surface properties in components and instruments. In some situations, such as improving the wear resistance of an instrument, brittle coatings have been considered. Dominant failure mode in these structures is crack initiation and propagation. So, investigating the fracture behavior of these structures is in great importance. In this paper, discrete element method (DEM) is used to simulate the crack initiation and propagation in coating/substrate structures. This method has a great ability to predict damage initiation and propagation in structures. For this purpose, a DEM solver code is written by authors. Brittle elastic behavior is considered in coating and substrate and the effect of elastic mismatch in constituents of structure and the coating thickness in damage initiation and propagation were investigated. The results showed that in structures in which coating stiffness is less than substrate stiffness, in the case of low thickness of coating, damage appears as crack initiation and propagation into the substrate but, by increasing the coating thickness, crack grows into or parallel to interface. In structures in which the coating stiffness is greater than substrate stiffness, no matter to the coating thickness, crack grows to the substrate.

    Keywords: Coating, substrate structures, brittle coating, discrete element method, damage propagation
  • Babak Katanchi *, Naghdali Choupani, Jafar Khalil Allafi, Mostafa Baghani Pages 51-60

    In recent years, shape memory alloys, specially NiTi, as a group of smart materials, have received more attentions in industrial applications. Martensitic phase transformation in shape memory alloys is the most important factor in their unique behavior. In this paper, the formation of stress induced martensite phase in the crack tip of superelastic NiTi (50.8% Ni) samples was investigated by using the DIC method. In particular, SEC specimens were subjected to fatigue mechanical loading, then the crack length and also displacement fields at the crack tip of specimens were measured by DIC technique. Control of the crack length was performed using a high magnification camera during the fatigue test. In the following, stress intensity factors were calculated according to ASTM standard E647-15. Obtained results from the fracture analysis show that fatigue threshold values are decreased with increasing the load ratio (R). In the present paper, for a load ratio of R=0.05, during the crack propagation, the fatigue threshold value is 〖∆K〗_th=17 MPa√m, while stress intensity factor is estimated about 35 MPa√m before the final failure. Also, as a new method in observation of the phase transformation, DIC pictures indicated the formation of stress induced martensite at the specimens crack tip.

    Keywords: NiTi shape memory alloys, Martensitic phase transformation, Crack growth rate, Fatigue, Digital image correlation method
  • Amir Khodabakhshi, Hassan Asadi Gilakejani * Pages 61-70
    Today, because of widespread faults in metallic pipes such as internal and external corrosion, hard deformability, abundant deposition arising from much roughness on internal parietal and profuse salt absorption and high pressure drop because of internal surface roughness, weightiness and installation difficulties and low lifetime etc. the tendency to use polymer pipes in transfer pipelines, industrial, marine, drilling and agricultural zones has increased. Examine the rate of damage the plastic tubes reinforced with the glass fiber under internal pressure from different angles, which might be defeated under creep phenomenon in long term, has not receive the attention to a large extend. Therefore, in the present research, it has been tried to simulate the fracture by Tsai-Wu, Hashin criterions and also the crack inlet opening with J-integral criterion in this pipes with different layering at internal pressure using finite element method and ABAQUS software. This research results show that the fibers under compressive and tensile stress and the resin of tube has not fractured by tensile stress, but the fracture has occurred in the resin of composite tubes that were under pressure. According to the yielded results, the fracture index is less than one for each of ten layers, when layering angle varies from [(30)] to[(60)], but the fracture index is more than one, layering decoration for[(70)], [(80)] and [(90)] of composite tubes has been fractured. However, the value of stress intensity factor was immediately decreased for layering decoration angle of [(55)], but this factor has improved when layering angle increased.
    Keywords: GRP Pipes, Failure analysis, FEM Method, J-Integral, Stress intensity factor
  • Navid Chakherlou Tajbakhsh, Pouya Shahriary * Pages 71-80
    Cold expanded holed plates are widely used in bolted joints which are subjected to clamping force. Previous studies on the effect of clamping force together with cold expansion on the fatigue behavior of the bolted joints revealed that the size of cold expansion has great influence on the fatigue durability of these joints due to the increase of the possibility of fretting fatigue occurrence. For better understanding this phenomenon, it is necessary to have detailed information about the effect of cold expansion on frictional force evolution during fatigue loading and the resulting stress field around the stress concentration zone. Therefore, in this paper, fretting fatigue testing apparatus was designed and fabricated for conducting fretting fatigue tests on the cold expanded specimens. Moreover, finite element simulation was used for evaluation of the residual stress distribution due to cold expansion and its effect on the fretting fatigue behavior of the joint. SWT multiaxial fatigue parameter was engaged for comparing the fatigue durability of the test specimens. The obtained results indicated that the cold expansion process reduces the stress concentration effect near the hole edge while it increases the possibility of fretting fatigue occurrence by generating tensile residual stress at areas away from the hole edge.
    Keywords: Fretting fatigue, Cold expansion, finite element
  • Majid Shahravi *, AhmadReza Shahmolla Ghamsari, AhmadReza Akbari Pages 81-90

    Nowadays, the increase in axial load and speed in railway transportation systems has increased the amount of pressure applied to the surface and energy loss, and has caused severe wear of turnout profiles, especially in turnout intersections. One of the major financial and physical losses to the country's railway is the train derailment in the turnout intersections. As mentioned above, due to the importance of turnout in this study, it has been tried to study the role of damages caused by turnout wear of railway system and explain the necessity for such research in this regard, particularly in Iran, by studying this phenomenon and examining the ruling theories as well as collecting information. In fact, these studies are the starting point for a more precise investigation into this phenomenon. In the following, the movement of train on a turnout is simulated in the "Universal Mechanism" software and the amount of force applied to the turnout and the wear energy is extracted. Furthermore, the effect of different parameters such as speed, axial load, friction coefficient, arc radius, and turnout profile on the rate of wear will be investigated. Then the turnouts are modeled on CATIA software and the forces extracted from the Universal Mechanism simulation are exerted to the turnout in the FEM software, and the stress, strain and deformation of the turnouts are investigated.

    Keywords: Turnout, wear, Plastic Deformation, finite element
  • Ali Alijani *, Morteza Khomami Abadi Pages 91-100
    In this paper, an approximate solution based on the Rayleigh’s method is sought to analyze the vibration behavior of Euler-Bernoulli cracked beam resting on an elastic foundation. The modeling of the elastic foundation is implemented using the Winkler elastic spring theory and the stiffness factor of the elastic spring is specified corresponding to material characteristics of the elastic foundation. The Dirac’s delta function is used to apply the crack opening mode in the equation of the Rayleigh in which the factor of this function can be identified in terms of the stiffness factor of an equivalent rotational spring by considering material and geometric parameters of the crack. In the present analysis, explicit relationships are originally established to obtain the natural frequency in three boundary conditions of simply supported-simply supported, clamped-free and clamped-clamped. In this method, the natural frequency of the first mode is determined as the ratio of the maximum enriched potential energy and the maximum kinetic energy. Based on these relationships, the effects of the crack depth, the crack position and the elastic foundation on the response of natural frequency of the beam are investigated. The results of the analysis demonstrate that increasing the crack depth decreases the natural frequency of the beam containing the crack; while the elastic foundation increases the natural frequency of the cracked beam. The comparison of the results of proposed relationships with those of full modeling of the structure in Abaqus software shows a great accuracy of the present analysis.
    Keywords: Rayleigh method, Natural frequency, Cracked beams, Elastic foundation, Rotational spring
  • Afshin Taghvaeipour *, MohammadTaghi Ahmadian Pages 101-110

    In this study, static and vibration analyses of cylindrical piezoelectric structures by means of superelements are targeted. In this regard, the cylindrical superelement is modified in order to be used in analysis of hollow cylinders made of piezoelectric materials. At first, the cylindrical superelement, which was previously defined in the literature, is introduced. Next, the calculation of stiffness and mass matrices of piezoelectric structures in finite element (FE) analysis is briefly reviewed, and then, a piezoelectric cylindrical superelement is developed. In order to verify the accuracy of the defined element, two case studies are analyzed by means of the superelement, and the results are compared with the ones obtained by a commercial FE software. At the end, the piezoelectric superelement is further modified to be used in static and vibration analyses of hollow cylinders which are made of functionally graded piezoelectric materials (FGPM). Also in this case, two classical problems are analyzed with the defined element. In both piezoelectric and FGPM cases, the results shows appropriate compatibility with the ones obtained by the conventional elements.

    Keywords: Superelement, Piezoelectric Materials, Functionally Graded Materials (FGM), Static, Vibration Analyses
  • Saeid Mansouri, Rouhollah Hosseini * Pages 111-120

    Considering that global energy resources are decreasing, energy harvesting from environment has become more important. One of the most important methods of power scavenging from environmental vibrations is energy harvesting using piezoelectric materials, and researchers have recently focused on optimizing this type of energy harvesters. In this paper, the effect of decreasing beam width on the amount of harvested energy from an oscillating piezoelectric cantilever beam is investigated using experimental and numerical methods. In this study, one of the newest piezoelectric materials called EAPap cellulose has been utilized. At first, a fixed-width beam was investigated, and then two beams with half-width of the initial beams, were analyzed in series and parallel connections with the same boundary conditions, and in the next stage, the unit cantilever was divided into three equal parts and serial and parallel states of these beams have been investigated and the results are compared with laboratory data. It is seen that if the width of a beam is divided into several equal parts and some beams with fewer width and series connection are utilized, amount of harvested energy is significantly greater than the initial beam.

    Keywords: Energy harvesting, Piezoelectric, Cantilever Beam, Harmonic oscillation, Series, Parallel connection
  • MohammadMostafa Mohammadi * Pages 121-130

    Quartz crystal is a piezoelectric material and due to the inverse piesoelectric effect, applying an AC voltage to this crystal makes the crystal to vibrate. The natural frequency of these forced vibrations varies with the application of mechanical stresses, and temperature change in the crystal. In this article, a digital resonator force sensor was designed and simulated. This new force sensor has two working mode. In the first mode, the sensitivity of the sensor to the applied force is maximum, and in the second mode, the temperature error of the sensor is reduced. The sensor output in these working modes was simulated by a numerical-mathematical model. The model was verified by experimental data in previous literature. The effect of force azimuth angle, and length of loading edges at the crystal, were evaluated on both working modes. The possibility of making measurements in two working modes leads to the increase of measurement resolution, by increase in sensitivity, and also the increase of measurement accuracy, by decreasing the thermal error on the sensor.

    Keywords: dual mode force sensor, force frequency effect, thermal error, response modelling
  • Atieh Andakhshideh *, Hossien Karamad Pages 131-140
    In this study, nonlinear dynamics of non-classical Kirchhoff plate is analyzed for the first time and the region of chaotic behavior is predicted and controlled by designing the robust adaptive controller. Virtual displacement principle is employed to derive the governing equation of Kirchhoff micro-plate resting on nonlinear elastic foundation. In the governing equation, von Karman geometrical nonlinearity and couple stress theory is considered. Solving the eigen value governing equation for fully simply supported boundary conditions, results are validated. Next, Galerlkin method considering harmonic excitation of first mode is used to derive micro-plate forced vibration equation. Regardless of modal interaction, the chaos threshold is then investigated. Homoclinic orbits of unperturbed system is plotted and stable and unstable manifold transversely cut that is criteria to predict chaos according to Melnikov’s method is studied. Using maximum Lyapunov exponents numerical method, size-dependent chaos is also locally identified. Phase portrait, Poincare mapping and time response are plotted for different values of size ratios and the important effect of size on the chaotic behavior of micro-plats is presented. The results of this study show that chaos in the micro-plats is size dependent and using the non-classical theories to analyze the chaos of micro-plats is necessary. Subsequently, designing the robust adaptive fuzzy controllers, chaotic vibrations are completely eliminated from the system and the robust adaptive fuzzy controller is introduced as an effective method for controlling chaos in these systems. Results of this research can be used in the production process, optimization and control of nanoelectromechanical systems.
    Keywords: nanoelectromechanical systems‚ robust adaptive fuzzy controllers‚ couple stress theory, Kirchhoff nano-plate, chaos
  • Seyed Mojtaba SeyedMousavi, Mahdi Tale Masouleh *, Ahmadreza Khoogar Pages 141-150

    A Spherical Parallel Mechanism (SPM) is used to rotate a body around a fixed point. Using type synthesis, different kinematic arrangements can be obtained for the robot with three degrees of rotational freedom. The most commonly used structure for this robot is the 3-RRR kinematic architecture which is an overconstrained parallel mechanism and causes several problems of mounting the mechanism, but has the advantage of having high rigidity thus a good accuracy. In this paper two non-overconstrained architectures 3-RRS and 3-RSR that are extracted from the type synthesis are compared with overconstrained one from accuracy point of view based on joint clearance. First, a method to obtain a model of moving platform pose (position and orientation) error based on joint clearance is introduced which leads to a standard convex optimization problem. Then maximum values of six components of the pose error are computed in more than 1000 different configurations within their workspace. It is shown that this displacement is configuration dependent. The obtained results revealed that the 3-RRR SPM has better position accuracy while in the case of orientation, the 3-RRS SPM has lowest maximum error between SPMs under study in the prescribed workspace. It can be concluded that non-overconstrained structures can be used instead of the overconstrained structure. Finally, a comparison was made between the performance indices and the method presented in this paper and results showed that the kinematic sensitivity index is most consistent with the accuracy of the robot.

    Keywords: Spherical Parallel Manipulator, Accuracy Analysis, Joint Clearance, Kinematic Sensitivity
  • Mousa Rezaee *, MirMohammad Ettefagh, Reza Fathi Pages 151-160

    In recent years, there has been much interest in the use of automatic dynamic ball balancers to balance the rotors with varying imbalances. An automatic dynamic ball balancer is a device that can automatically compensate the variable imbalances of a rotor in certain working conditions without having to stop the rotating equipment. Ball-spring autobalancer is a new type of automatic ball balancers which has two main advantages over the traditional ones, i.e. it causes the rotor vibration amplitude at the transient state to be small and it has a wider balanced stable region. Bearings are one of the most important mechanical components due to their considerable influence on the dynamic behavior and stability of the rotary systems. In previous studies, the dynamic behavior and stability of the rotor with isotropic bearings equipped with a Ball- spring autobalancer has been analyzed. However in practice, the bearings have generally anisotropic behavior due to manufacturing process. In this study, the dynamics and stability of a rotor with anisotropic bearings equipped with a Ball-spring autobalancer are investigated via the multiple scales method for the first time. The results show that the anisotropic bearings do not impair the main advantages of the Ball-spring autobalancers, and as the anisotropic parameter increases the balanced stable region decreases.

    Keywords: Ball-spring autobalancer, Anisotropic bearing, Multiple scales method, Vibration response, Balanced stable region
  • SaeedKhan kalantary, Sadra Rafatnia, Hasan Mohammadkhani *, Mohsen Hajizadeh Pages 161-170

    Due to stochastic noises, modeling uncertainties and nonlinearities in low-cost inertial measurement units (IMUs), the positioning error of Strap-down Inertial Navigation Systems (SINS) are increased exponentially. So, SINS is integrated with aiding navigation systems like a Global Navigation Satellite System (GNSS) by using an estimation algorithm to obtain an acceptable positioning accuracy. In urban area the GNSS signal may be obstructed because of tall trees and buildings. Therefore, in the paper a novel constrained adaptive integration algorithm is developed for integration the SINS/GNSS. In this algorithm, the velocities constraints in body frame in addition to altitude constraints based on a barometer data are firstly developed, and then a constrained estimation algorithm is designed based on the proposed constraints. In addition a fuzzy type 2 algorithm is used to calculate the estimator parameters based on vehicle maneuvers. The real vehicular tests are used for implantation and validation of the proposed algorithm. The experimental results indicate that, the proposed adaptive constrained estimation algorithm enhanced the estimation accuracy of the SINS steady states.

    Keywords: Strap-down Inertial Navigation system (SINS), Global Navigation Satellite System (GNSS), Constrained Estimation, Fuzzy-Type II, Signal Outage
  • Mahmood Mazare, Ehsan Davoodi, Mostafa Taghizadeh *, Mahdi Pourgholi Pages 171-180
    Quadrotors have high energy consumption due to their inherent structure, hence minimization of their energy consumption play a crucial role in terms of enhancing their operational range and flight time. In this paper, optimal control based on a minimum-energy trajectory planning algorithm of a quadrotor has introduced between two certain points to maximize operation time. To do this, first, dynamic equations of quadrotor and Brushless motor are derived. Energy consumption of quadrotor is introduced as a cost function and the minimum energy path is determined using optimal control theory. To satisfy constraints, all of them are combined with a Hamiltonian equation using Lagrange multiplier. Finally, simulation results are compared with results of conventional trapezoidal velocity profile which shows energy saving up to 4% compared with conventional trapezoidal velocity profile. Also, results reveal that the influence of operation time is far more than path length on energy consumption. In order to verify the validity of the simulation results, they are compared with the results of an experimental model which is consisting Brushless motor, sensor and, control board. As well as using simulation results in different situations, a mathematical equation was extracted among path length, operation time and energy consumption which can be useful to estimate the maximum flight range or operation time considering the amount of energy of the battery.
    Keywords: Quadrotor, minimum energy trajectory, Optimal control, Hamiltonian equations
  • Mostafa Nazari *, Ali Ghaffari, Mahdi Shafigh Pages 181-190
    This paper proposes an optimal method for eradicating cancer, such that it can not be relapsed. The major issue, is that the tumor free equilibrium point at the end of chemotherapy is still unstable. Mathematically, it means that when the chemotherapy is stopped, the trajectory of the system moves away from the tumor free equilibrium point and the tumor cells starts increasing. To overcome this problem, we can either restart the process of chemotherapy or try to stabilize the equilibrium. In this article the dynamics of the system is changed around the tumor free equilibrium point by the use of vaccine therapy and the chemotherapy pushes the system to the domain of attraction of the desire point. For optimal chemotherapy, two objective functions optimized simultaneously in order to minimize the size of tumor as well as the side effects of the anticancer drug on the patients’ body. After removing the chemotherapy, the cancer does not relapse due to change in the dynamics of the system. Simulation results show that by applying this method, the cancer cells population approaches to zero even after cessation of chemotherapy for a long time.
    Keywords: Mathematical Cancer Model, Chemotherapy, Vaccine Therapy, Multi-objective optimization, Finite Duration Treatment