فهرست مطالب

نشریه روش های عددی در مهندسی
سال سی و نهم شماره 2 (زمستان 1399)

  • تاریخ انتشار: 1399/12/25
  • تعداد عناوین: 7
|
  • فاضل شعبانی، محسن ثقفیان*، داوود سعیدی، فرشید مومن نسب صفحات 1-21

    جداسازی ذرات، کاربردهای زیادی هم در پزشکی و بیولوژی و هم در صنعت دارد. در این پژوهش جداسازی ذرات پلی استایرن با قطر 10، 20 و 30 میکرومتر در جریان سیال در یک میکروکانال بررسی می شود. میکروکانال از یک ناحیه مارپیچ و یک ناحیه مستقیم ولی تحت اثر امواج آکوستیکی یا صوتی تشکیل شده است. در ناحیه مارپیچ، ذرات تحت اثرات هیدرودینامیکی جداسازی اولیه می شوند؛ سپس ذرات وارد ناحیه مستقیم میکروکانال می شوند و جداسازی نهایی ذرات تحت تاثیر نیروی ناشی از امواج صوتی صورت می گیرد. اثر فرکانس امواج صوتی و تعداد حلقه های ناحیه مارپیچ بر جداسازی بررسی می شود. نتایج نشان می دهد که برای ابعاد و پارامترهای جریان تعیین شده، در فرکانس 1 مگاهرتز موج صوتی و تعداد حلقه های 2 برای ناحیه مارپیچ میکروکانال، ذرات در انتهای مسیر، در موقعیت مناسبی برای جداسازی نسبت به یکدیگر قرار دارند. علاوه بر آن، نتایج به دست آمده نشان می دهد که جداسازی ذرات با این سیستم ترکیبی نسبت به روش های ساده عملکرد بهتری دارد و نرخ جداسازی می تواند 100 درصد نیز باشد.

    کلیدواژگان: موج آکوستیکی، میکروکانال مارپیچ، جداسازی ذرات، میکروفلویدیک
  • زهرا آهنگری سیسی، مهدی میرزایی*، صدرا رفعت نیا، بهروز علیزاده صفحات 23-44

    راحتی سفر و ماندگاری خودرو روی جاده از مهم ترین معیارها در طراحی سیستم تعلیق فعال خودرو هستند، که به دلیل محدودیت عملگر در تولید نیروی کنترلی، مسئله طراحی کنترل کننده برای این سیستم همواره با قید در ورودی کنترلی همراه است. در این مقاله یک روش جدید طراحی کنترل کننده غیرخطی بهینه برای سیستم تعلیق فعال خودرو با در نظر گرفتن قید روی ورودی کنترلی ارایه می شود. در روش کنترلی پیشنهادی، ابتدا یک شاخص عملکرد شبه نقطه ای به صورت ترکیب وزن داری از پاسخ های پیش بینی شده سیستم و ورودی کنترلی تعریف می شود. سپس مسئله کمینه کردن شاخص عملکرد در حضور قید ورودی، به صورت یک مسئله بهینه سازی غیرخطی مقید فرمول بندی شده و با استفاده از الگوریتم کرم شب تاب توسعه یافته حل می شود، تا قانون کنترل مقید به دست آید. به منظور ارزیابی عملکرد الگوریتم کنترلی ارایه شده، نتایج شبیه سازی سیستم کنترل شده با روش جدید در دو حالت نامقید و مقید بررسی می شوند. نتایج نشان دهنده عملکرد مطلوب کنترل کننده مقید ارایه شده در بهبود راحتی سفر با وجود قید روی ورودی کنترلی است، ضمن اینکه سایر پاسخ های سیستم تعلیق اعم از جابه جایی تعلیق و تایر در محدوده قابل قبول قرار می گیرند. همچنین به منظور صحه گذاری بر روش پیشنهاد شده، نتایج این روش ها با روش های کنترل مد لغزشی و مدل کنترل پیش بینی غیرخطی در حالت مقید و در حضور نامعینی مقایسه شده است.

    کلیدواژگان: سیستم تعلیق فعال، کنترل غیرخطی، کنترل بهینه مقید، قید ورودی، الگوریتم کرم شب تاب
  • مصطفی ابویی اردکان*، سجاد تلخابی صفحات 45-58

    یکی از روش های رایج برای بهبود قابلیت اطمینان، استفاده از قطعات مازاد موازی در زیرسیستم ها است. این مسئله که تحت عنوان مسئله تخصیص افزونگی شناخته می شود، شامل انتخاب اجزای مازاد جهت حداکثر کردن قابلیت اطمینان سیستم با توجه به محدودیت های از پیش تعیین شده ای نظیر هزینه، وزن و حجم سیستم است. به طور سنتی دو استراتژی قطعات مازاد فعال و ذخیره برای حل این گونه مسایل وجود دارد. به تازگی استراتژی جدیدی تحت عنوان استراتژی مختلط ارایه شده است که عملکرد بهتری نسبت به هر دو استراتژی قبلی داشته است. مشکلی اصلی در استفاده از استراتژی مختلط، پیچیدگی معادلات مربوط به آن است. از این رو، در این مقاله یک روش جدید برای محاسبه قابلیت اطمینان استراتژی مختلط ارایه می شود که نیازی به محاسبات پیچیده انتگرالی روش قبل را ندارد و همچنین باعث کاهش زمان حل مسایل می شود. روش حل پیشنهادی به کمک روابط بازگشتی، یک حالت کلی از فرمول استراتژی مختلط ارایه می دهد که با افزایش یا کاهش قطعات هر زیرسیستم، فرمول محاسباتی تغییر چندانی نمی کند. این انعطاف پذیری و ثبات در فرمول، در سیستم هایی با تعداد قطعات بالا، بسیار کارآمد خواهد بود. به منظور ارزیابی روش حل جدید و مقایسه آن با روش پیشین، مسئله الگوی سری- موازی با چهارده زیرسیستم در نظر گرفته شده و نتایج دو روش با یکدیگر مقایسه شده است.

    کلیدواژگان: بهینه سازی قابلیت اطمینان، تخصیص افزونگی، استراتژی مختلط، توابع بازگشتی
  • زهرا باروئی، مهرداد جبارزاده* صفحات 59-72

    در این مقاله، تحلیل خمش غیرخطی نانوصفحات دایروی سوراخ دار به کمک تیوری الاستیسیته سه بعدی و تنش کوپل اصلاح شده، بررسی شده است. به این منظور معادلات تعادل با در نظر گرفتن عبارت های غیرخطی کرنش به روش حداقل انرژی پتانسیل محاسبه و به روش عددی نیمه تحلیلی چندجمله ای حل شده است. طبق بررسی های انجام شده، تاکنون، تحقیقی که در آن به روش الاستیسیته سه بعدی تمام شرایط مرزی به روش عددی محاسبه شده باشند، ملاحظه نشد. به طور معمول، تحقیقات در زمینه الاستیسیته سه بعدی یا به صورت المان محدود بوده و یا اکثرا فقط برای شرط مرزی مفصلی انجام شده است. در این تحقیق، برای اولین مرتبه، تحلیل غیرخطی خمش به کمک الاستیسیته سه بعدی برای انواع شرط مرزی ارایه شده است. همچنین، به کمک تیوری تنش کوپل اصلاح شده، نتایج در مقیاس نانو بررسی شده است. در ادامه، ضمن اعتبارسنجی نتایج، بررسی تغییرات خیز نسبت به پارامتر مقیاس برای انواع شرط مرزی، اثر تغییر پارامتر مقیاس در ضخامت های مختلف و اثر پارامتر مقیاس بر نتایج خطی و غیرخطی بررسی شده است.

    کلیدواژگان: خمش غیرخطی، نانوصفحات دایروی، الاستیسیته سه بعدی، تنش کوپل اصلاح شده، روش عددی نیمه تحلیلی چندجمله ای
  • رضا کشاورزی، شهاب الدین حاتمی*، شمس الدین هاشمی صفحات 73-95

    ورق های ساخته شده از مواد کامپوزیتی چند لایه با سختی متغیر (VSCL) به دلیل مزایایی از قبیل نسبت مقاومت و سختی به وزن بالا می توانند کاربرد های گسترده ای در شاخه های مختلف مهندسی داشته باشند. در هر لایه از این ورق ها به جای الیاف مستقیم از الیاف منحنی شکل استفاده می شود. در این مقاله تحلیل کمانش ورق های کامپوزیت لایه ای نسبتا ضخیم با سختی متغیر به روش نوار محدود بررسی می شود. برای تحلیل کمانش، یک روش نوار محدود شبه تحلیلی مبتنی بر تیوری تغییر شکل برشی مرتبه اول به کار گرفته می شود. در این روش، همه جابه جایی ها توسط توابع شکل هارمونیکی مناسب در جهت موازی با خطوط گرهی و توابع درون یاب چندجمله ای در جهت عمود بر خطوط گرهی فرض می شوند. به منظور توسعه روابط پایداری از روش انرژی پتانسیل حداقل استفاده می شود. با انجام این تحلیل تاثیر استفاده از الیاف منحنی شکل به جای الیاف مستقیم در کامپوزیت های لایه ای بر بار کمانشی ورق بررسی می شود. بارهای بحرانی به دست آمده از این تحلیل، با نتایج سایر محققین مقایسه شده و کارایی و دقت روش نوار محدود حاضر تایید می شود. مقایسه نتایج حاصل از تحلیل این ورق ها نشان می دهد که تغییر دادن شیب الیاف می تواند منجر به تفاوت قابل توجهی در پاسخ کمانشی شود. همچنین افزایش تعداد جملات توابع شکل در جهت موازی با خطوط گرهی تاثیر قابل توجهی در همگرایی نتایج مورد نظر دارد.

    کلیدواژگان: کمانش، کامپوزیت لایه ای، سختی متغیر، روش نوار محدود، تئوری تغییر شکل برشی مرتبه اول
  • سحر اسمی زاده، حامد هفت برادران*، فرشید مسیبی صفحات 97-117

    آزمایش ها نشان داده اند که جدایش فازی در الکترود باتری های یون لیتیومی می تواند باعث تشکیل خرابی های مکانیکی و کاهش ظرفیت در این باتری ها شود. هدف این تحقیق، محاسبه عددی و تحلیلی ضریب شدت تنش ترک های سطحی در الکترودهای متشکل از ذرات کروی شکل در حضور جدایش فازی طی فرایند الکتروشیمیایی دشارژ است. به این منظور، توزیع غلظت و تنش های ناشی از نفوذ در یک ذره کروی با حل عددی معادلات حاصل بر اساس مدل میدان فازی به دست می آید. به کمک یک مدل هندسی که در مطالعات پیشین پیشنهاد شده، ضریب شدت تنش برای عمیق ترین نقطه از ترک با هندسه نیم بیضوی به کمک روش تابع وزن به دست می آید. به علاوه، به کمک مدل هسته- پوسته با مرز فازی تیز و بهره گیری از یک روش تحلیلی، ضریب شدت تنش حداکثر که در عمیق ترین نقطه ترک های سطحی طی فرایند دشارژ کامل حادث می شود، تخمین زده می شود. نتایج عددی توزیع غلظت و توزیع تنش حلقوی ارایه، و همچنین ضرایب شدت تنش به دست آمده بر اساس مدل میدان فازی با نتایج مدل هسته- پوسته مقایسه می شود. نتایج حاصل از مدل عددی نشان می دهد که با کاهش اختلاف غلظت در دو فاز، ضرایب شدت تنش حداکثر، وابستگی بیشتری نسبت به تغییر نرخ جریان اعمالی بر سطح ذره داشته و می تواند با افزایش نرخ جریان اعمالی در محدوده پارامترهای مورد بررسی در این مطالعه تا بیش از دو برابر افزایش یابد.

    کلیدواژگان: باتری یون لیتیومی، جدایش فازی، مدل میدان فازی، مکانیک شکست
  • امید باطنی پرور، نیما نورمحمدی*، علی محمد صالحی صفحات 119-146

    در این مقاله، حل مسایل مهندسی با معادلات هارمونیک که دارای تکینگی ضعیف یا ناپیوستگی در گرادیان تابع حل هستند برای مواد همگن و ناهمگن بررسی می شود. از آنجا که سایر روش های عددی استاندارد از جمله روش اجزای محدود از پایه های هموار برای تقریب پاسخ مسئله استفاده می کنند و این پایه ها قادر به تطبیق خود با شرایط مجاور محدوده تکین نیستند، توابع دیگری نیز باید به پایه های اصلی اضافه شوند تا کیفیت حل را بهبود ببخشند. برای این منظور از توابع پایه متعادل شده به عنوان پایه های جدید در کنار پایه های چندجمله ای معمول روش اجزای محدود برای ساخت مجموعه ای از توابع شکل جدید استفاده می شود. این توابع از ارضای صورت همگن انتگرال وزنی معادله دیفرانسیل به دست می آیند و مرتبه تکینگی مسئله را به صورت خودکار تشخیص می دهند. توابع مذکور در المان های مجاور نقطه تکین در نظر گرفته می شوند. در نتایج عددی نشان داده خواهد شد که ترکیب این پایه ها با پایه های معمول در روش اجزای محدود، همگام با حفظ خواص مهم این روش منجر به بهبود کیفیت پاسخ آن به ویژه در مجاورت نقطه دارای تکینگی ضعیف می شود.

    کلیدواژگان: تکینگی ضعیف، توابع پایه متعادل شده، محیط همگن و ناهمگن، روش اجزای محدود
|
  • F. Shabani, M. Saghafian*, D. Saeidi, F. F. Momennasab Pages 1-21

    Particulate separation has many applications in medicine, biology and industry. In this research, the separation of polystyrene particles with a diameter of 10, 20 and 30 μm in the fluid flow of a microchannel is investigated. The microchannel consists of a spiral region and a straight region under the influence of acoustic waves. In the spiral region, the particles under hydrodynamic effects undergo the initial separation; then the particles enter the straight region of the microchannel, and the final separation of the particles is done by the force generated and exerted through the acoustic waves. The effects of acoustic frequency and the number of spiral region loops on separation are investigated. The results show that for measured dimensions and parameters, at 1 MHz acoustic wave, when the number of loops is 2 for the spiral region, the particles at the end of the path are in a suitable position for separation. In addition, the results show that the separation of particles with this hybrid system is better than that done by the simple methods, and the separation rate can be as high as 100%

    Keywords: Acoustic wave, Spiral microchannel, Particle separation, Microfluidics
  • Z. Z. Ahangari Sisi, M. Mirzaei*, S. Rafatnia, B. Alizadeh Pages 23-44

    Active vehicle suspension system is designed to increase the ride comfort and road holding of vehicles. Due to limitations in the external force produced by actuator, the design problem encounters the constraint on the control input. In this paper, a novel nonlinear controller with the input constraint is designed for the active suspension system. In the proposed method, at first, a constrained multi-objective optimization problem is defined. In this problem, a performance index is defined as a weighted combination of the predicted responses of the nonlinear suspension system and control input. Then, this problem is solved by the modified firefly optimization algorithm to find the constrained optimal control input. To evaluate the performance of the proposed method, the results of the unconstrained and constrained controllers are provided and discussed for various road excitations. The results show a remarkable increase in the ride comfort with the limited force, while other suspension outputs including the suspension travel and tire deflection being in the acceptable ranges. In addition, these controllers are compared with Sliding Mode Control (SMC) and Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) in the presence of model uncertainty.

    Keywords: Active suspension system, Nonlinear control, Constrained optimal control, Input constraint, Firefly algorithm
  • M. Abouei Ardakan*, S. Talkhabi Pages 45-58

    One of the common approaches for improving the reliability of a specific system is to use parallel redundant components in subsystems. This approach, which is known as the redundancy allocation problem (RAP), includes the simultaneous selection of the component type and its level for each subsystem in order to maximize the system reliability.Traditionally, there are two redundancy strategies, namely active and standby, for the redundant components. Recently, a new powerful strategy called mixed strategy has been developed. It has been proved that the mixed strategy has a better performance when compared to both previous strategies. The main issue in utilizing the mixed strategy is its complicated formulation and sophisticated calculations, leading to a time-consuming procedure for solving the problems. Hence, in this paper, a new formulation based on the recursive approach is introduced to ease the calculation of the mixed strategy. In the new formulation, the complex double integral calculations are removed and the calculation times is reduced. The proposed recursive formulation provides a general statement for the mixed strategy formula which is not changed by altering the number of components in each subsystem. This flexibility and stability in the formula can be very important, especially for large scale cases. In order to evaluate the new approach and to compare its performances with the previous formulation, a benchmark problem with 14 subsystems is considered and the results of the two formulation are compared with each other.

    Keywords: Reliability optimization, Redundancy allocation problem, Mixed strategy, Recursive functions
  • Z. Barouei, M. Jabbarzadeh* Pages 59-72

    In this paper, the nonlinear bending analysis for annular circular nano plates is conducted based on the modified coupled stress and three-dimensional elasticity theories. For this purpose, the equilibrium equations, considering nonlinear strain terms, are calculated using the least energy potential method and solved by the numerical semi-analytical polynomial method. According to the previous works, there have been no studies calculating all boundary conditions numerically based on three-dimensional elasticity. Typically, the research done on three-dimensional elasticity is either finite element or only for a simply-supported boundary condition. In this research, for the first time, the nonlinear analysis of bending is calculated with the help of three-dimensional elasticity for a variety of boundary conditions. Also, with the help of the modified couple stress theory, the results on the nano-scale scale have been studied. In the following, while validating the results, we investigate the changes in the scale parameter for the types of boundary conditions, the effect of changing the parameter of scale in different thicknesses, and the impact of the parameter of scale on the linear and nonlinear results.

    Keywords: Nonlinear bending, Circular Nano plates, Three-dimensional elasticity theory, Modified coupled stress, Semi-analytical polynomial method
  • R. Keshavarzi, Sh. Hatami*, Sh. Hashemi Pages 73-95

    Plates made of laminated composite materials with variable stiffness can have wide applications in various branches of engineering due to such advantages as high strength /stiffness to weight ratio. In these composites, curved fibers are used to reinforce each lamina instead of the straight fibers. In this paper, the application of finite strip method for the buckling analysis of moderately thick composite plates with variable stiffness is investigated. For buckling analysis, a semi-analytical finite strip method based on the first-order shear deformation theory is employed. In this method, all displacements are presumed by the appropriate harmonic shape functions in the longitudinal direction and polynomial interpolation functions in the transverse direction. The minimum potential energy method has been used to develop the stability formulations. This analysis examines the effect of using curved fibers instead of straight fibers on the laminate composites. The critical loads obtained from this analysis are compared with those of other researchers and the efficiency and accuracy of the developed finite strip method are confirmed. Comparison of the analysis results of these plates shows that changing the slope of the fibers can lead to a significant change in the buckling response. Also, increasing the number of the terms of shape functions in the longitudinal direction has a significant effect on the convergence to the desired results.

    Keywords: Buckling, Laminated composite, Variable stiffness, Finite strip method, First-order shear deformation theory
  • S. Esmizadeh, H. Haftbaradaran*, F. Mossaiby Pages 97-117

    Experiments have frequently shown that phase separation in lithium-ion battery electrodes could lead to the formation of mechanical defects, hence causing capacity fading. The purpose of the present work has been to examine stress intensity factors for pre-existing surface cracks in spherical electrode particles during electrochemical deintercalation cycling using both analytical and numerical methods. To this end, we make use of a phase field model to examine the time-dependent evolution of the concentration and stress profiles in a phase separating spherical electrode particles. By using a geometrical approximation scheme proposed in the literature, stress intensity factors at the deepest point of the pre-existing surface cracks of semi-elliptical geometry are calculated with the aid of the well-established weight function method of fracture mechanics. By taking advantage of a sharp-interphase core-shell model, an analytical solution for the maximum stress intensity factors arising at the deepest point of the surface cracks during a complete deintercalation half-cycle is also developed. Numerical results for evolution of the concentration profile and the distribution of the hoop stresses in the particle are presented; further, the stress intensity factors found numerically based on the phase field model are compared with those predicted by the analytical core-shell model. The results of the numerical model suggest that the maximum stress intensity factor could significantly vary with changes in the surface flux, increasing potentially by a factor of two within the range of parameters considered here, when the concentration difference between the two phases is decreased.

    Keywords: Lithium ion battery, Phase separation, Phase field modeling, Fracture mechanics
  • O. Bateniparvar, N. Noormohammadi*, A. M. Salehi Pages 119-146

    In this paper, Equilibrated Singular Basis Functions (EqSBFs) are implemented in the framework of the Finite Element Method (FEM), which can approximately satisfy the harmonic PDE in homogeneous and heterogeneous media. EqSBFs are able to automatically reproduce the terms consistent with the singularity order in the vicinity of the singular point. The newly made bases are used as the complimentary enriching part along with the polynomial bases of the FEM to construct a new set of shape functions in the elements adjacent to the singular point. It will be shown that the use of the combined bases leads to the quality improvement of the solution function as well as its derivatives, especially in the vicinity of the singularity.

    Keywords: Singularity, Harmonic, Equilibrated basis functions, Finite Element Method