فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک ایران
سال بیست و دوم شماره 1 (پیاپی 58، بهار 1399)

  • تاریخ انتشار: 1399/03/01
  • تعداد عناوین: 10
|
  • محمدرضا بیات، آرش کارگر اصطهباناتی، مصطفی باغبانی * صفحات 6-24

    طراحی دقیق و کارآمد حسگرها و عملگرهای ساخته از شده از هیدروژل از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این مقاله یک روش نیمه تحلیلی برای حل مسئله خمش ناشی از تورم هیدروژل در سازه ی دولایه در شرایط کرنش صفحه ای ارایه می شود. سازه ی دولایه از هیدروژل و الاستومر تشکیل شده است. اتصال بین دو لایه به صورت ایده آل فرض شده است. همچنین، مسئله ی طرح شده به کمک ابزار اجزا محدود با بهره گیری از کد UHYPER در نرم افزار ABAQUS نیز شبیه سازی شده است. برای بررسی صحت و دقت روش نیمه تحلیلی ارایه شده چند مثال به کمک روش نیمه تحلیلی و اجزا محدود حل شده است. تطابق خوبی بین نتایج روش نیمه تحلیلی ارایه شده و روش اجزا محدود مشاهده می شود. تغییرشکل و توزیع تنش در لایه ها با پارامتر مواد مختلف، به کمک روش نیمه تحلیلی و اجزا محدود ارایه شده است. در نهایت، تاثیر چگالی اتصالات عرضی شبکه ی پلیمری لایه ی هیدروژل بر انحنا سازه ی دولایه بررسی شد.

    کلیدواژگان: هیدروژل، سازه دولایه، خمش ناشی از تورم، حل نیمه تحلیلی، حل اجزا محدود
  • رضا خندابی، حسین خدارحمی، روح الله حسینی*، مجتبی ضیاء شمامی صفحات 24-49

    پانلهای ساندویچی معمولا به دلیل نسبت استحکام به وزن و جذب انرژی بالا، کاربرد وسیعی در صنایع مختلف دارند. در این مقاله مقاومت انفجاری سازه های ساندویچی با رویه های آلومینیومی و هسته فوم پلییورتان با چگالی متغیر)مدرج(بررسی شده است. در این پژوهش، با تهیه فومهای پلییورتان با چگالیهای مختلف و ساخت پانلهای ساندویچی از ورقهای آلومینیومی و هسته فوم پلییورتان، با استفاده از دستگاه لوله شاک انفجاری تاثیر تغییر تدریجی چگالی هسته فومی و ترتیب لایه های فوم با چگالیهای مختلف، بر روی مقدار جابجایی سطح پشتی سازه های ساندویچی مورد مطالعه قرار گرفته است. بررسیهای تجربی و عددی انجام شده، نشان میدهند که جابجایی رویه پشتی پانل ساندویچی با هسته فومی مدرج درحالتی که لایه فوم با چگالی بیشتر در سمتی که انفجار رخ میدهد قرار دارد، نسبت به پانل ساندویچی با هسته تکلایه و جرم یکسان، کمتر بوده و به عنوان سازه اصلی مناسبتر است. همچنین در حالتی که لایه فوم با چگالی کمتر در سمت انفجار قرارداشته باشد، توانایی جذب انرژی پانل افزایش مییابد.

    کلیدواژگان: بارگذاری انفجاری، پانل ساندویچی، هسته فومی مدرج، جذب انرژی، لوله شاک
  • راضیه هاشمی، مصطفی میرزایی*، محمدرضا عدل پرور صفحات 50-73

    در این پژوهش کمانش مکانیکی پنل های استوانه ای تقویت شده با نانولوله های کربنی تحت بار فشاری محوری مورد بررسی قرار گرفته است. خواص مکانیکی سازه با استفاده از تیوری تعمیم یافته مخلوط ها تخمین زده شده است. معادلات پایداری براساس تیوری تغییر شکل برشی مرتبه اول، اصل همیلتون و با استفاده از روابط خطی کرنش-تغییرمکان بدست آمده اند. با استفاده از چندجمله ای چبیشف و به کمک روش ریتز مقدار بار بحرانی کمانش محاسبه شده است. تاثیر پارامتر های مختلف نظیرکسرحجمی و نحوه ی توزیع نانولوله های کربنی، شرایط مرزی و ابعاد هندسی سازه بر میزان بار بحرانی کمانش، بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که بیشترین مقدار بار بحرانی کمانش مربوط به توزیع مدرجتابعی نوع FG-X نانولوله های کربنی تک جداره در راستای ضخامت پنل استوانه ای می باشد.

    کلیدواژگان: کمانش مکانیکی، پنل استوانه ای مدرج تابعی تقویت شده با نانولوله های کربنی، روش ریتز، چندجمله ای های چبیشف
  • عسل حقیقت پارس، کامبیز قائمی اسگوئی*، فائزه فریور صفحات 74-90

    در اینجا بهینه سازی سینماتیکی مسیر در فضای مفصلی روبات افزونه صفحه ای انجام شده است. پاسخ بهینه مسیر هر یک از مفاصل، از طریق روابط سینماتیک معکوس در کل مسیر محاسبه شده است. با توجه به تعداد درجات افزونگی ربات، حدس اولیه ای از متغیرهای مفاصل در نظر گرفته شده و با استفاده از روابط سینماتیک معکوس، روش بهینه سازی پونتریاگین و تعیین نوع شرایط اولیه حاکم بر سیستم، حدس اولیه اصلاح و جواب بهینه برای هریک از مفاصل در مسیر بهینه حاصل گردیده است. نتایج عددی برای مسیری نمونه در فضای کاری بوسیله الگوریتم سعی و خطای شلیک جهت دستیابی به حدس اولیه مناسب که مسئله مقدارمرزی کنترل بهینه را تا دقت قابل قبولی حل کند اجرا شده است.

    کلیدواژگان: روبات افزونه، روبات صفحه ای، بهینه سازی سینماتیکی، افزونگی درجه آزادی، اصل مینیمم سازی پونتریاگین
  • محسن محسن زاده، سید رضا حمزه لو*، علی پورکمالی انارکی صفحات 91-108

    پایش سلامت سازه بر پایه امپدانس و با استفاده از مواد هوشمند پیزوالکتریک یکی از قدرتمندترین تکنیک های بازرسی غیرمخرب است. تحقیقات زیادی بر پایه روش های تجربی در این زمینه انجام شده اما مطالعات بر روی سازه قاب شکل (تیر الشکل[1]) انجام نگرفته است. در این مقاله روشی تحلیلی برای بدست آوردن طیف امپدانس الکترومکانیکی سازه قاب شکل و معادلات حاکم بر آن معرفی شده است. پس از انجام آزمونهای تجربی، مدلی تحلیلی امپدانس الکترومکانیکی بر اساس معادلات اویلر- برنولی سازه قاب شکل ارایه شده است. مقایسه همزمان طیف های امپدانس حاصل از آزمایش های تجربی برروی سازه سالم و سازه معیوب و همچنین اندیس های خرابی بدست آمده، تطابق و هماهنگی بین میزان سختی و امپدانس سازه را نشان می دهد. همچنین طیف حقیقی امپدانس بدست آمده از روش تحلیلی برای سازه قاب در شرایط مرزی یکسرگیردار با تقریب مناسبی نسبت به طیف تجربی محاسبه شده است.

    کلیدواژگان: امپدانس الکترومکانیکی، قاب آلومینیومی، ارزیابی سلامت سازه قاب، پیزو الکتریک
  • مریم محمدی، اسماعیل پورسعیدی* صفحات 109-129

    تنش های پسماند حرارتی ناشی از کوینچ و عدم تطابق انبساط حرارتی لایه ها به علت افت دما پس از اعمال پوشش سدحرارتی با روش های تحلیلی، آزمایشگاهی و المان محدود ارزیابی و مساله پس از ساده سازی به صورت تحلیلی حل شد. تنش پسماند سطحی توسط XRD استخراج و به منظور محاسبه ی توزیع تنش، مدل المان محدودی پیشنهاد گشت که سطح مشترک لایه ها با الگوگیری از تصویر SEM نمونه ی آزمایشگاهی ایجاد گردید. نتایج تحلیلی نشان داد که تنش های کوینچ در مقایسه با تنش های عدم تطابق حرارتی مقدار کمتری دارند. میانگین تنش، MPa150- اندازه گیری شد که مقادیر تحلیلی و المان محدود تطابق قابل قبولی با آن دارند.

    کلیدواژگان: پوشش های سد حرارتی، تنش پسماند اعمال پوشش، XRD، روش المان محدود
  • سید امیررضا وزیری، مهدی قناد، محمدرضا قریب* صفحات 130-153

    در این مقاله با استفاده از نظریه ی میرسکی- هرمان مرتبه اول و با در نظر گرفتن اثر کرنش عمودی عرضی ، معادلات  حاکم بر استوانه های جدار ضخیم ساخته شده از مواد FGM تحت بارگذاری حرارتی گذرا استخراج شده و جابه جایی و تنش برای استوانه ای دوسرگیردار به صورت تحلیلی به دست آمده است. معادلات با استفاده از اصل کار مجازی و روش جداسازی متغیرها حل شده است. شرایط مرزی دمایی با درنظر گرفتن انتقال حرارت جابه جایی به مسئله اعمال شده اند. در مطالعه ی حاضر اثر زمان بر توزیع تنش و جابه جایی بررسی شده و نمودارهای مربوط با حل عددی مقایسه شده است

    کلیدواژگان: استوانه ی جدار ضخیم، مواد متغیر تابعی (FGM)، انتقال حرارت گذرا، تئوری میرسکی هرمان مرتبه اول، اصل کار مجازی
  • علیرضا خدایاری*، علی غفاری، امیررضا میربیگی مقدم صفحات 154-170

    در این مقاله به طراحی یک سیستم کنترل کننده مدل پیش بین برای کنترل حرکت جانبی خودرو پرداخته می شود. هدف آن است که بتوان با فرض دارا بودن اطلاعات کافی از مسیر پیش روی خودرو، ورودی کنترلی مورد نیاز برای پیمایش مسیر با توجه به قیود دینامیکی به خودرو اعمال می گردد. این قیود به گونه ای تعیین شده اند که با خودروی واقعی متناسب بوده تا ایمنی سرنشینان را در حین فعال بودن سیستم کنترلی تامین نمایند. همچنین مدل استفاده شده در این مقاله مبتنی بر مسیر پیش روی خودرو است. این طراحی مبتنی بر مسیر پیش رو به حرکت یکنواخت خودرو در مسیر های غیرمستقیم می انجامد. مقایسه نتایج به دست آمده با پژوهش های پیشین نشان دهنده آن است که سیستم کنترلی طراحی شده توانسته است عملکرد بهتری داشته باشد و ایمنی خودرو و سرنشینان را افزایش دهد

    کلیدواژگان: کنترل مدل پیش بین، کنترل حرکت جانبی خودرو، مدل دوچرخه ای، دینامیک رو به جلو
  • مجید آزادپور، اعظم قاسمی* صفحات 171-191

    در این پژوهش برای اولین بار، تاثیر آسیب های داخلی مهم، عدم چسبندگی بین لایه ای، ترک داخلی وآلودگی بین لایه ای برروی مقاومت بالستیکی مواد مرکب لایه ای بررسی شد. برای ساخت مواد مرکب لایه ای  از پارچه آرامید، رزین اپوکسی EPL 1012 و هاردنرEPH 112 استفاده شد. نتایج این ارزیابی نشان داد که وجود آسیب باعث کاهش مقاومت بالستیکی ماده مرکب می گردد. همچنین با مقایسه نتایج برای سه آسیب داخلی نشان داد که کمترین و بشترین افت مقاومت در برابر سرعت بالا در مواد مرکب لایه ای ساخته شده در این تحقیق به ترتیب مربوط به نمونه معیوب با آسیب عدم چسبندگی بین لایه ای و نمونه معیوب با  ترک داخلی است. همچنین در این مطالعه، تاثیر آسیب های داخلی بر روی رفتار کششی نمونه های سالم و معیوب بررسی شد. بررسی رفتار کششی نمونه ها نشان داد که تقریبا رفتار کششی تمام نمونه ها در یک اندازه نزدیک به هم است. با این حال بیشترین و کمترین تاثیر بر روی رفتار کششی ماده به ترتیب مربوط به نمونه با آسیب ترک داخلی و آلودگی بین لایه ای است.

    کلیدواژگان: مواد مرکب لایه ای، عدم چسبندگی بین لایه ای، ترک داخلی، آلودگی بین لایه ای
  • مهدی ابطحی*، مهدی سرایی صحنه سرایی، فرزین زهدی صفحات 192-203

    در این مقاله، با کنترل مستقیم روی چرخ پنجم، رفتار دینامیک جانبی خودروهای مفصلی در برابر پدیده قیچی شدن بهبود یافته است. بدین منظور، مدل ریاضی سیستم کشنده- تریلر با استفاده از معادلات نیوتن- اولر استخراج و سپس صحت فرآیند مدل سازی تایید شد. به منظور کنترل و پایداری جانبی، در کنار الگوریتم کنترلی بهینه، کنترل کننده مقاوم مود لغزشی برای مقابله با عدم قطعیت های موجود طراحی شد. مقایسه نتایج سیستم کنترلی مستقیم بر زاویه مفصل در شبیه ساز با وجود عدم قطعیت حاکی از عملکرد مناسب و مقاوم سیستم کنترلی مود لغزشی در حفظ پایداری جانبی و بهبود رفتار دینامیکی در خودروی مفصلی می باشد.

    کلیدواژگان: خودرو مفصلی، سیستم کشنده- تریلر، قیچی شدن، کنترل مود لغزشی، پایداری جانبی
|
  • MohammadReza Bayat, Arash Kargar estahbanati, Mostafa Baghani* Pages 6-24

    The accurate and efficient design of the bilayer sensors and actuators made of hydrogels are of crucial importance. In this work, a semi-analytical method is developed to solve the swelling induced bending of hydrogel bilayer under plane strain condition. The bilayer consists of a neutral incompressible elastomer layer attached to a hydrogel layer. The interface of two layers is assumed to be perfectly bonded. Moreover, the plotted problem is simulated using Finite Element Method (FEM) employing UHYPER subroutine in ABAQUS software. Several cases are solved to demonstrate the validity and performance of the proposed semi-analytical method. A good correspondence between the presented method and the finite element method is observed. The deformation and the stresses inside the layers are presented for various material parameters employing both the developed semi-analytical formulation as well as the finite element method. Finally, the effect of density of cross-link in hydrogel polymer network on curvature is also investigated.

    Keywords: Hydrogel Bilayer, Finite strain, Swelling induced bending, Semi-analytical solution, FEM
  • Reza Khondabi, Hossein Khodarahmi, Rouhollah Hosseini*, Mojtaba Zia Shamami Pages 24-49

    Sandwich panels, due to high strength to weight ratio and energy absorption properties, are widely used in various fields including aerospace, marine and automotive industries. This study has explored the blast resistance of sandwich structures with aluminum face-sheets and variable density polyurethane foam core (graded). In this article, several aluminum sandwich panels with polyurethane foam core having different densities is designed and have been tested. Using a blast shock tube facility, the effects of graded changes of core foam density and foam layers sequence with different densities on transverse deflection of back face-sheet are studied. Also using the compression test results performed on the foam, numerical simulations are performed using Autodyn software. The results show that there is a good agreement between numerical and experimental results with a maximum error of 13%. Experimental and numerical investigations indicate that deformation of back face-sheet of the sandwich panel with graded foam core, when the foam layer with higher density is placed in the blast side, is less than a single layer sandwich panel and equivalent mass. So it is better to use it as the main structure. Also, in case the foam layer with less density is placed in the blast side, the energy absorption of the panel increases and so the use of this panel is suggested as a protective structure.

    Keywords: Explosive loading, Sandwich panel, Graded foam core, Energy absorption, Shock tube
  • Raziyeh Hashemi, Mostafa Mirzaei*, MohammadReza Adlparvar Pages 50-73

    In this study, mechanical buckling of composite cylindrical panels reinforced with single walled carbon nanotubes under axial compression is investigated. Distribution of SWCNTs across the thickness of the panel is considered to be uniform or functionally graded. Mechanical Properties of the carbon nanotube reinforced cylindrical panel are obtained using micromechanical approaches such as the modified rule of mixtures and Eshelby-Mori-Tanaka approaches. The governing equations are obtained by using Hamilton’s principle based on first-order shear deformation theory and considering strain-displacement linear relation. An energy based Ritz method and Chebyshev polynomials are used to obtain the critical buckling load of composite cylindrical panels. In addition, the effect of various parameters such as boundary conditions, geometrical conditions, distribution pattern across the thickness of carbon nanotubes and their volume fraction are studied on the critical buckling load. It is shown that, FG-X pattern of SWCNTs distribution results in the maximum critical buckling load and by increasing the volume fraction of carbon nanotubes, the critical buckling load of composite cylindrical panel increases.

    Keywords: Buckling, C00ylindrical Panels, Functionally graded carbon nanotube reinforced composite, Ritz method, Chebyshev polynomials
  • Kambiz Ghaemi Osgouie*, Assal Haghighatpars, Faezeh Farivar Pages 74-90

    Several actuation systems in the nature are modelled as redundant robotic arms for which various criteria, such as time, energy, or jerk, might be optimized to generate the most natural motion trajectories. The most suitable yet challenging optimization criterion is manipulator’s consumed energy. In this paper, the joint space kinematic optimization of a redundant planar robot is performed to follow a given task space path. Considering the redundancy of the robot, an initial guess is made for the joint space excessive degrees of freedom of the robot. Then applying the inverse kinematic equations and Pontryagin’s relations, the whole joint space path is calculated. In the implementation of the transversality conditions, according to the error occurred at the other end of the path, the initial guess is updated. Through a try-error process using shooting method, the optimal initial guess is converged and its corresponding joint space trajectory is also obtained. As a numerical evaluation, a sample task space desired path is considered and using the proposed method the proper joint space trajectory is obtained.

    Keywords: Redundant Robot, Kinematic optimization, Redundancy, Pontryagin’s Minimum Principle
  • Mohsen Mohsenzadeh, Seyed Reza Hamzehloo*, Ali pourkamali anaraki Pages 91-108

    The electro-mechanical impedance method identified as a suitable method for structural health monitoring and damage detection in structures, which is considered as a non-destructive inspection method. Piezoelectric smart materials are used as sensor/actuator to excite the structure and is installed on the structure, which has the task of identifying and measuring any changes in the structure. The basis of the electro-mechanical impedance method is to identify the detections due to the change in the stiffness of the structure, and it depends on geometry and properties of the materials to be studied. Detecting the defects that created on frame structure (L-shaped beam) by electro-mechanical impedance method and validation the analytical method by comparison with the experimental method is this paper’s objective. Defects are created in the groove shape before and after the bend and the real impedance spectrum of damaged frame that obtained from the experimental method at each step compared with healthy frame, and the damage index figure have been extracted. Also, the real spectrum of the impedance obtained from the experimental tests will be compared with the real spectrum of the impedance that obtained from analytic method. Comparison of the impedance spectrum and also the damage indexes from experimental tests for a healthy structures and defective structures shows compliance between the Stiffness and impedance of structure. Also the spectrum of real part of impedance obtained from the analytical method for the frame structure in the case of a cantilever boundary conditions has a correlation with the experimental tests.

    Keywords: Electro-mechanical impedance, Aluminum frame, Structural Health monitoring the frame, Piezoelectric
  • Maryam Mohammadi, Esmaeil Poursaeidi* Pages 109-129

    In this paper, residual thermal stresses caused by quenching of layers as well as the thermal expansion mismatch between the coating layers due to a sharp drop in temperature during the deposition process in the thermal barrier coating system is evaluated using an analytical model, experimental tests and a finite element model. Due to the inherent complexity of these coatings, the problem is solved analytically after some simplification. The residual stresses of the coated samples were measures using XRD method. In order to calculate the stress distribution in the whole system, a finite element model is proposed. In this model, the interface profile of the coating layers was extracted based on SEM images so it was considered to be resemble the real case. Also the boundary conditions were applied to this sub model in a way that it is in a good accordance with the experimental tests loading. The analytical results showed that the quenching residual stresses of the layers have a minor amount compared to the thermal mismatch stresses between the layers in the tests. The average value of the measured residual stresses is -150 MPa, which has a good agreement with the results obtained from the analytical and finite element methods.

    Keywords: Termal barrier coating, Residual stresses, XRD, Finite element methode
  • Seyyed amirreza Vaziri, Mehdi ghannad, Mohammadreza Gharib * Pages 130-153

    In this article, analytical formulation of axisymmetric FGM thick-walled cylinders with power varying of mechanical and thermal properties under transient heating using first order shear deformation theory is presented. Equilibrium equations are derived from virtual work principles and energy method. Also, the transient heat transfer equation is solved by separation of variables, generalized Bessel function, and Eigenfunction method. General thermal boundary condition involving conduction and convection without heat source is considered. At the end the results of the analytical solution are compared with the finite element method, for this aim cylinder is modeled in Abaqus. The effects of time varying on stress and displacement distribution has been studied in this paper. according to results increasing time lead to increase the stress and displacement, by the way after a moment the stress and displacement are time-independent and they become constant. the boundary condition of two ends and thermal boundary condition play a significant role in results.

    Keywords: Thick-walled cylinder, Functionally graded materials, Transient heat transfer, First order Mirsky-Herman theory, Virtual work principle
  • Alireza Khodayari *, Ali Ghaffari, Amirreza Mirbeigi Moghadam Pages 154-170

    In this paper a model-based predictive controller has been designed to control the lateral vehicle dynamics. Assuming that the road specifications are known, the main goal is to obtain a control input in order to drive along a desired path using a model-based predictive controller under the consideration of the vehicle dynamics constrains and road geometric specifications. Moreover, the curvature of the path is assumed to be specific and determinable. Steering wheel angle is the control input. Optimization problem of the designed controller is solved based on knowledge about vehicle constrains such as magnitude and rate of the steering wheel angle. These constraints are specified based on characteristics of actual vehicle to assure the safety of passengers when control system is active. In order to model the vehicle dynamics, bicycle model has been used with the assumption that considering range of the vehicle and road parameters the dynamics of the tires is in the linear part of their behavior. Using the model-base predictive controller, control input is obtained and applied to the vehicle in order to reduce the look-ahead vertical distance from the desired path to zero. The longitudinal velocity of the vehicle has been assumed to be constant. The robustness of the design controller has been investigated against environmental disturbances in dry and slippery roads. The comparison between the results of the presented control system and previous works shows that proposed method has a better performance and can increase safety of the vehicle and passengers.

    Keywords: model predictive control, lateral behavior, bicycle model, modeling, dynamic system
  • majid azadpour, aazam ghassemi* Pages 171-191

    In this research , for the first time, the effect of important internal damages; such as debonding , internal cracks , interlayer contamination on the ballistic strength of composite layers have been investigated. In this study , undamaged and damaged samples of composite layers are made by wet lay-up method. The results of this assessment showed that the damage caused the ballistic strength of the composite material to decrease. Also , by comparing the results for three internal damages , it was showed that the highest and lowest loss of ballistic resistance is related to debonding damage and interlayer contamination damage, respectively. Also, in this research , tensile analysis of the samples showed that the tensile behavior of all samples was close enough to each other. However , the maximum and minimum effects on tensile behavior of the samples are related to the sample with crack internal and interlayer contamination.

    Keywords: Layered Composites, Debonding, Crack internal, Interlayer contamination
  • Mahdi Abtahi*, Mahdi Saraei Sahnesaraei, Farzin Zohdi Pages 192-203

    In this paper, with applying the direct control on the fifth wheel, the dynamical behavior of the tractor semi-trailer vehicles is modified against the jackknife phenomenon. For this purpose, mathematical model of the system is derived using the Newton-Euler equations and after simulation of the open loop system, the modeling process is verified using the Sim-truck results. In order to control and the lateral stability of the vehicle system, the optimal controller based on the linear quadratic regulator is designed. Furthermore, for achieving to robust control system, the nonlinear controller on the basis of the Sliding mode control is also applied on the system. The comparison of the control system results demonstrates the proper performance in the settling time and the robustness of the sliding mode controller in the stability and improvement of the dynamical behavior in the system. On the other hand, the sliding mode control system can stabilize the system with least energy consumption according to behavior of control signals.

    Keywords: Articulated Vehicles, Tractor Semi-Trailer System, Jackknife, Sliding mode control, Lateral Stability