فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک مدرس
سال بیستم شماره 11 (آبان 1399)

  • تاریخ انتشار: 1399/08/30
  • تعداد عناوین: 6
|
  • ارسلان ترابی، محمدرضا رازفر* صفحات 2605-2615

    در سال‌های اخیر ایجاد ساختارهای سه‌بعدی و کانال‌های کوچک هدایت کننده جریان سیال، بر روی مواد نارسانای جریان الکتریکی نظیر پلی‌دی‌متیل سیلوکسان (PDMS)، جهت کاربرد در سیستم‌های الکترومکانیکی و پزشکی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. عموما جهت ایجاد میکروکانال در پلی‌دی‌متیل سیلوکسان از فرایند لیتوگرافی استفاده می شود که از جمله محدودیت های این فرایند می‌توان به زمان و هزینه بالای فرایند و دیواره‌های زاویه‌دار اشاره نمود. در تمامی مصارف، عملکرد کانال وابسته به کیفیت سطح آن است. در این پژوهش برای اولین بار فرآیند ماشین‌کاری تخلیه الکتروشیمیایی (ECDM) که با هزینه کم و نرخ براده برداری مناسب قادر به ایجاد کانال‌ بر روی مواد نارسانا است جهت ایجاد میکروکانال در پلی‌دی‌متیل سیلوکسان استفاده شده است. از سایر مزایای این روش می توان به امکان دستیابی به عمق های بالا اشاره کرد. بدین منظور تاثیر پارامترهایی فرایند نظیر غلظت الکترولیت، سرعت دورانی و پیشروی، اختلاف پتانسیل اعمالی  بر کیفیت سطح و زبری سطح بررسی شد. ملاحظه شد که ماشین‌کاری تخلیه الکتروشیمیایی قادر است کانال های با کیفیت سطح مشابه روش لیتوگرافی ایجاد کند. همچنین ملاحظه شد که با کاهش سرعت دورانی از 10000 دور بر دقیقه تا 0، زبری سطح 2 تا 4 برابر افزایش می یابد این امر بدلیل افزایش ضخامت فیلم گاز و افزایش جرقه های سرگردان از سطح ابزار و قطعه کار با کاهش سرعت دورانی رخ می دهد. همچنین مقدار زبری سطح کانال ایجاد شده با افزایش ولتاژ از 38 به 42 ولت، به‌اندازه 36 درصد افزایش می‌یابد. غلظت الکترولیت 25% منجر به بهترین زبری سطح در تمام نمونه شد.

    کلیدواژگان: پلی دی متیل سیلوکسان، فرزکاری تخلیه الکتروشیمیایی، میکروکانال، یکپارچگی سطح
  • فرزاد احمدی خطیر، محمد مهدی برزگری* صفحات 2617-2628

    امروزه استفاده از صفحات دوقطبی فلزی در صنعت پیل‌سوختی به دلیل هزینه بسیار پایین‌تر آن نسبت به صفحات ضخیم گرافیتی که با روش ماشینکاری تولید می‌شوند، مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است. بهترین روش برای تولید صفحات دوقطبی فلزی، استفاده از فرآیند شکل‌دهی است. در میان انواع روش‌های شکل‌دهی، فرآیند شکل‌دهی استمپینگ از سرعت تولید بالاتر، سادگی فرآیند و هزینه تولید پایین‌تری برخوردار است. یکی از مشکلات عمده شکل‏دهی صفحات دوقطبی فلزی، برگشت فنری ورق بعد از شکل‏دهی می‏باشد که موجب اعوجاج و عدم یکنواختی در کانال‏های شکل گرفته می‏گردد. در این پژوهش تاثیر پارامترهای هندسی همچون ابعاد و زاویه دیواره کانال، شعاع گوشه، عمق کانال و تاثیر پارامتر فرآیندی همچون روانکار بر پروفیل پرشدگی و برگشت فنری ورق شکل‏دهی شده از جنس فولاد زنگ نرن 304 با ضخامت 1/0 میلی متر بررسی گردید. به همین منظور، در ابتدا به کمک نرم افزار المان محدود آباکوس، شبیه‏سازی انجام شد و صحت نتایج به کمک آزمایش‏های تجربی بررسی شد. در ادامه با تغییر پارامترهای ورودی در شبیه‏سازی، خروجی‏های نامبرده مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج بدست آمده نشان داد که زاویه دیواره و پهنای کانال بیشترین تاثیر را بر مقدار برگشت فنری صفحات شکل‏دهی شده دارند. نتایج در ارتباط با پارامتر فرآیندی چون تاثیر روانکار نشان داد که مقدار برگشت فنری تقریبا مستقل از پارامتر روانکار است. اما در شرایط کاملا برابر، در حالت استفاده از روانکار، توزیع تنش در گوشه‏ها و دیواره کانال بسیار یکنواخت‏تر است.

    کلیدواژگان: پیل سوختی پلیمری، صفحات دو قطبی فلزی، شکل دهی استمپینگ، برگشت فنری، شبیه سازی المان محدود
  • فرشید عسکری*، محمدرضا سلطانی صفحات 2629-2642

    یک روش تجربی جدید برای اندازه گیری توزیع فشار روی سطح یک مدل در حال چرخش در تونل باد توسعه داده شده است. در این تکنیک جدید که سنسورها و تجهیزات داده برداری داخل مدل درحال چرخش تعبیه شده اند از بسیاری از مشکلات فنی و محدودیتهای عملیاتی مرتبط با تلاشهای قبلی، جلوگیری می کند. توزیع فشار روی سطح برای سرعت های چرخشی تا 5000 دور بر دقیقه در زوایای مختلف حمله بدست آمده است. نتایج بدست امده از پروفیل های فشار، تعیین کننده نیروهای مگنس بوده و تفسیر لایه مرزی و اثرات جدایش جریان را امکان پذیر می سازند. در این روش علاوه بر تعیین نیروی مگنس، توزیع آن روی مدل نیز بدست می آید. نتایج بدست آمده نشان می دهد که قسمت اعظم نیروی مگنس در قسمتهای انتهایی پرتابه ایجاد می گردد. اعتبارسنجی داده ها با مقایسه مقادیر انتگرال توزیع فشار و مقایسه با داده های نیرویی بدست امده از سیستم بالانس تونل باد انجام شده است. نتایج مشابه با حل عددی به دست آمده و با داده های تجربی مقایسه شده است. این روش جدید قابلیت پیاده سازی روی انواع مدل ها و رژیم های جریان در تونل باد را دارا می باشد.

    کلیدواژگان: اثر مگنس، پرتابه چرخان، توزیع فشار، تونل باد
  • فاطمه یعقوبی، روح الله جماعتی*، حامد جمشیدی اول صفحات 2643-2651

    در پژوهش حاضر با استفاده از روشی نوین، فولاد دوفازی با استحکام بالا و انعطاف پذیری مطلوب از فولاد ساده کربنی با 16/0% کربن، تولید شد. با استفاده از آستنیته کردن، کوینچ، نورد سرد نامتقارن و آنیل میان بحرانی در دماهای C 770 و C 800 و زمان های کوتاه نگهداری 1 و 5 دقیقه، فولاد دوفازی با ساختار فریت-مارتنزیت به دست آمد. به دلیل اعمال کرنش برشی یکنواخت از طریق نورد سرد نامتقارن، توزیع یکنواختی از فاز مارتنزیت در صفحات RD-TD و RD-ND مشاهده شد. با افزایش زمان نگهداری، کسرحجمی مارتنزیت در دمای C 770 از 8 به 12 درصد و در دمای C 800 از 10 به 33 درصد به ترتیب در زمان‌های 1 و 5 دقیقه رسید. با افزایش دما و زمان آنیل میان بحرانی مقدار مارتنزیت افزایش و سختی و استحکام بهبود یافت. نمونه تولید شده در دمای C 800 و زمان 5 دقیقه، خواص مکانیکی عالی از جمله سختی HV 244 و استحکام MPa 1020 و انعطاف‌پذیری 5/12% را از خود نشان داد. همچنین به دلیل بالا بودن کسرحجمی مارتنزیت و در پی آن کاهش کربن محتوی آن، سختی این فاز کاهش یافته و در نتیجه تغییرشکل پلاستیک قابل توجه و کرنش‌سختی بالایی را از خود نشان داد. سطح شکست اکثر فولادهای دوفازی تولید شده عمدتا شامل دیمپل بود که نشان دهنده‌ی رفتار شکست نرم است.

    کلیدواژگان: فولاد دوفازی، نورد نامتقارن، آنیل میان بحرانی، ریزساختار، خواص مکانیکی
  • رضا مداحیان، علی اکبر عباسیان آرانی*، محسن رشیدی نژاد صفحات 2653-2670

    عیب اصلی برج‌های خنک‌کن خشک جریان طبیعی، تاثیر شرایط جوی نظیر دمای محیط و وزش باد بر روی عملکرد حرارتی این نوع از برج‌ها است. وزش باد باعث اختلال در جریان طبیعی هوای درون برج شده و با ایجاد گردابه‌هایی در پشت و درون برج، ساختار جریان هوا را کاملا مغشوش می‌کند. در هنگام وزش باد، سرعت هوای وارد شده از لوورهای جلوی برج به حدی زیاد است که به جای خروج از دهانه برج، از لوورهای روبرویی عبور می‌کند. اثر منفی این پدیده باعث کاهش قدرت سرمایی برج و در نتیجه کاهش توان تولیدی توربین در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی می گردد. یک راهکار مناسب جهت رفع این مشکل، تنظیم صحیح و به موقع لوورها است. لذا در پژوهش حاضر عملکرد حرارتی برج خنک‌کن خشک در شرایط باز و بسته شدن لوورهای جلویی و تغییر زوایای آن‌ها مورد ارزیابی قرار گرفته است. در این راستا، یک واحد برج خنک‌کن خشک جریان طبیعی مطابق با ابعاد برج مستقر در نیروگاه سیکل ترکیبی یزد به صورت سه‌بعدی و با بهره‌گیری از نرم‌افزار فلوینت شبیه‌سازی شده و نتایج حاصل از حل عددی با نتایج تجربی اعتبارسنجی گردیده‌اند. جهت مدل‌سازی جریان مغشوش از مدل توربولانسی    استفاده شده و عملکرد برج در سه حالت بدون وزش باد، با وزش باد و لوورهای کاملا باز و با وزش باد و لوورهای نیمه باز مورد بررسی قرار گرفته است. مطابق نتایج، با نیمه باز گذاشتن لوورهای واقع تا زاویه °60  می‌توان انتقال حرارت را 16% و دبی جرمی را 15% افزایش داد.

    کلیدواژگان: برج خنک کن خشک، شبیهسازی عددی، انتقال حرارت، لوور، باد
  • مجید حاتم پور، روح الله حسینی، مهدی حسن زاده*، خداداد واحدی صفحات 2671-2678

    در این مقاله، به بررسی تجربی و تحلیل رگرسیونی تغییر شکل پلاستیک ساندویچ پنل کامپوزیتی پلی‌یورتان تقویت شده با ذرات صفحه ای نانو رس تحت بارگذاری انفجاری پرداخته شده است. برای این منظور ساندویچ پنل پلی یورتان با درصدهای مختلف نانو رس و در چگالی های مختلف تهیه شد. خواص مکانیکی فوم های تقویت شده با نانو رس توسط آزمون کشش-فشار مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین از دستگاه لوله شوک انفجاری و ماده منفجره C4 به منظور بارگذاری انفجاری استفاده شد. در ادامه به منظور بررسی اثر پارامترهای موثر نظیر درصد نانو رس و چگالی فوم پلی یورتان بر میزان جابجایی صفحات ساندویچ پنل کامپوزیتی و بهینه سازی آنها به منظور کمترین تغییر شکل، از روش سطح پاسخ استفاده شد. نتایج بدست آمده از مدل رگرسیونی در سطح اطمینان 95% حاکی از مطابقت بسیار خوب نتایج تجربی و مقادیر پیش بینی شده توسط مدل بوده است. مقدار بالای ضریب همبستگی بین پارامترهای بررسی شده و میزان تغییر شکل پلاستیک ساندویچ پنل (R2= 99 %) حاکی از آن است که مدل ارایه شده از دقت بالاتری برخوردار بوده است. در پایان شرایط بهینه برای دستیابی به کمترین میزان جابجایی صفحات ساندویچ پنل کامپوزیتی بصورت 57/1 درصد نانو رس و چگالی فوم kg/m3 130 تعیین گردید.

    کلیدواژگان: فوم پلی یورتان، نانو رس، بارگذاری انفجاری، بهینه سازی، روش سطح پاسخ
|
  • Arsalan Torabi, Mohammad Reza Razfar * Pages 2605-2615

    In recent years, forming a 3D microfluidic channels on the electrical non-conductive material such as Polydimethylsiloxane (PDMS) in the micro-electromechanical system (MEMS) and medical applications is of great interest. Lithography is the most know process to create patterns on the PDMS however there are a few drawbacks to this process such as high operational cost and time, and sidewall angle. In all applications, the quality of the micro-channel surface determines the performance of it. In this research as innovatively the electrochemical discharge milling (ECDM) which is known for lower operational cost and proper material removal rate (MRR; i.e. process time), and is capable of creating patterns on electrical non-conductive material, was used to form a micro-channel on the PDMS. To that end, the effect of process parameters such as electrolyte concentration, feed rate and cutting speed and voltage on the surface roughness and surface integrity deeply investigated. It was observed that ECDM is capable of creating patterns on the PDMS with surface integrity which is comparable with the lithography microchannel. It is also observed that decreasing the rotational speed from 10000 to 0rpm results in increasing the surface roughness 2 to 4 times. This happens due to the increasing the thickness of the gas film around the tool, and subsequently increasing the flying sparks which results in higher surface roughness. Increasing the Voltage from 38 to 42V results in 36% enhancement of surface roughness. The 25% electrolyte concentration results in lower surface roughness.

    Keywords: Polydimethylsiloxane (PDMS), Electrochemical Discharge Milling, Micro-Channel, Surface Integrity
  • Farzad Ahmadi Khatir, Mohammad Mahdi Barzegari * Pages 2617-2628

    Today, the use of metallic bipolar plates in the fuel cell industry has attracted the attention of many researchers due to its much lower cost than thick graphite plates produced by machining. The best method for the production of metallic bipolar plates is forming process. Among the different forming methods, the stamping process has a higher production rate, simpler process, and lower production cost. One of the major problems in the formation of the metallic bipolar plates is the springback of the sheet after forming, which causes distortion and non-uniformity in the formed channels. In this study, the effects of geometrical parameters such as draft angle, corner radius, depth of channel and process parameter such as lubricant on filling profile as well as springback of formed sheet made of stainless steel 304 with a thickness of 0.1 mm were investigated. For this purpose, the simulation was performed using ABAQUS finite element software and the results were verified by experimental analysis. Then the outputs were evaluated by changing the input parameters in the simulation. The results showed that the draft angle and channel width had the most influence on the springback value of the formed plates. The results related to the process parameter such as the lubricant effect showed that the springback value is almost independent of the lubricant parameter. However, in quite equal conditions, the stress distribution in the corners and channel walls is much more uniform when using the lubricant.

    Keywords: PEM Fuel Cell, Metallic Bipolar Plate, Stamp Forming, Springback, ABAQUS Simulation
  • Farshid Askary *, M.R. Soltani Pages 2629-2642

    A new experimental technique has been developed to measure the pressure distribution over the surface of a spinning wind tunnel model. The technique is unique in that all elements of the instrumentation, thus avoiding many of the technical problems and operational limitations associated with previous attempts to measure this effect. Surface pressure distributions were obtained for selected tip speed ratios for different angles of attack (5000rpm). The results obtained from the pressure profiles determine the Magnus forces and make it possible to interpret the boundary layer and the effects of separation. In this method, in addition to determining the Magnet force, its distribution on the model is also obtained. The results show that most of the Magnus force is created at the ends of the projectile. The validity of the data was established by comparing the integrated pressure values with directly measured balance data. Similar results were obtained by the numerical simulations and were compared with the experimental data. This new technique can be applied to a variety of model configurations and Mach number regimes.

    Keywords: Magnus Effect, Spinning Projectile, Surface Pressure, Wind Tunnel
  • Fatemeh Yaghoobi, Roohollah Jamaati *, Hamed Jamshidi Aval Pages 2643-2651

    In the present study, using a new method, dual-phase (DP) steel with high strength and good ductility was produced from plain carbon steel with 0.16% carbon. The DP steel with ferritemartensite structure was obtained using austenitizing, quenching, asymmetric cold rolling, and intercritical annealing at temperatures of 770 and 800 °C and short holding times of 1 and 5 min. Due to the application of uniform shear strain through asymmetric cold rolling, a uniform distribution of the martensite phase was observed in the RD-TD and RD-ND planes. By increasing the holding time, the volume fraction of martensite increased from 8% to 12% at 770 °C and from 10% to 33% at 800 °C for the holding times of 1 and 5 min, respectively. Hardness and strength improved with increasing temperature and time of intercritical annealing. The sample produced at a temperature of 800 °C and a time of 5 minutes showed excellent mechanical properties such as 244 HV hardness and 1020 MPa strength and 12.5% ductility. In addition, due to the high volume fraction of martensite and the consequent reduction of its carbon content, the hardness of this phase decreased and as a result, it showed significant plastic deformation and high strain hardening. The fracture surface of all produced DP steels mainly included dimples, which indicates ductile fracture behavior.

    Keywords: Dual-phase steel, Asymmetric rolling, Intercritical annealing, Microstructure, Mechanical properties
  • Reza Maddahian, Ali Akbar Abbasian Arani *, Mohsen Rashidinejad Pages 2653-2670

    The main disadvantage of natural draft dry cooling towers is the influence of atmospheric conditions such as ambient temperature and wind speed on the thermal performance. Wind disrupts the natural flow of air inside the tower creating vortices at the back and inside the tower that disrupts the air flow structure. When the wind blows, increasing the velocity of inlet air through the front louvers causes the air to pass through the behind louvers rather than outlet opening. The negative effect of this phenomenon reduces the cooling performance and consequently reduces the turbine production power in power plants. A good solution to this problem is to adjust the Louvers angle correctly. Therefore, in the present study, the thermal performance of the dry cooling tower was evaluated under the conditions of opening and closing the front louvers and changing their angle. In this regard, a natural draft dry cooling tower unit with the dimensions of the cooling tower located in combined cycle power plant was simulated using 3D model in fluent software and the numerical results have been validated by experimental data. The Realizable k-ε turbulent model is used to model the turbulent flow. The performance of the tower has been studied in three modes, including no wind, with the wind and fully open louvers and with the wind and semi-open louvers. According to the results, by partially removing the louvers to 60°, heat transfer and mass flow rate can be increased to 16% and 15% respectively.

    Keywords: Dry cooling tower, Numerical simulation, Heat transfer, Louver, Wind
  • Majid Hatampour, Rouhollah Hosseini, Mahdi Hasanzadeh *, Kh. Vahedi Pages 2671-2678

    In this paper, experimental investigation and regression analysis are investigated on plastic deformation of polyurethane composite sandwich panels reinforced with nanoclay under blast loading. For this purpose, polyurethane sandwich panels were prepared with different percentages of nanoclay and in different densities. The mechanical properties of nanoclayreinforced foams were studied by the tensile-compression test. Explosive shock tube device and C4 explosive material were used for explosive loading. Then, the response surface methodology was used to investigate the effect of significant parameters, the percentage of nanoclay and density of polyurethane foam, on the displacement of composite sandwich panels and to optimize the parameters for minimum deformation. The results obtained from the regression model at 95% confidence level indicate a very good agreement between the experimental results and the values predicted by the model. The high value of the correlation coefficient between the studied parameters and the amount of plastic deformation of the sandwich panel (R2 = 99%) indicate that the proposed model has higher accuracy. Finally, the optimal conditions for achieving the minimum displacement of composite sandwich panels were determined as 1.57% nanoclay content and foam density of 130 kg/m3.

    Keywords: Polyurethane foam, Nanoclay, Explosive loading, Optimization, Response surfacemethodology