فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک مدرس
سال بیست و یکم شماره 4 (فروردین 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/02/06
  • تعداد عناوین: 6
|
  • شکرالله محمدبیگی، علیرضا شاطری*، مجتبی دهقان منشادی صفحات 209-224

    در پژوهش حاضر میدان دنباله جریان عبوری از روی یک مدل زیردریایی در تونل باد به صورت تجربی بررسی شده است. آزمایش ها به منظور بررسی اثر محل قرارگیری بالک های انتهایی بر روی جریان دنباله ورودی به پروانه مدل زیرسطحی انجام شده است. به منظور  بررسی اثر محل قرارگیری بالک های انتهایی به عنوان مهم ترین نوآوری پژوهش حاضر، بالکهای مذکور در سه موقعیت طولی X/L=0.89, 0.92, 0.95   بر روی پاشنه مدل زیرسطحی نصب شده و جریان دنباله در موقعیت X/L=0.978    و عدد رینولدز 5^10*6  توسط پراب پنج حفره و جریان سنج سیم داغ اندازه گیری شده است. در پایان این بررسی ها موقعیت طولی X/L=0.95  به عنوان مکان بهینه برای قرارگیری بالک های انتهایی به منظور بهبود جریان دنباله ورودی به پروانه از نظر کاهش مساحت کلی و نیز کمترین میزان اغتشاشات و غیریکنواختی انتخاب شده است. نتایج به دست آمده در طول این پژوهش نشان دادند که ورود جریان دنباله پایه نگهدارنده به قسمت پاشنه موجب رشد مساحت ناحیه دنباله شده و باعث افزایش متوسط سرعت و کاهش میزان غیریکنواختی جریان دنباله  می شود.

    کلیدواژگان: مدل زیرسطحی، سطوح کنترلی، تونل باد، پراب پنج حفره، جریان سنج سیم داغ، دنباله
  • مظاهر سلامت طلب*، علی زین العابدین بیگی، سید مرتضی سیدنژاد صفحات 225-233

    تورق یکی از شایع ترین مودهای تخریب در چندلایه های کامپوزیتی بوده که می تواند منجر به کاهش سفتی و قابلیت باربری سازه کامپوزیتی گردد که این موضوع، اهمیت مطالعه این پدیده را مشخص می نماید. بدین منظور در تحقیق حاضر، به بررسی اثر زوایای فصل مشترک تورق بر چقرمگی شکست چندلایه های کامپوزیتی زمینه پلمیری با الیاف بافته شده ساده پرداخته شده است.  نمونه با شکاف انتهایی (ENF) با 24 لایه و زوایای فصل مشترک تورق 0//0، 0//30 و  30//-30 با استفاده از روش لایه چینی دستی ساخته شده و مطابق با استاندارد انجمن مهندسان مکانیک امریکا (ASTM) تحت بارگذاری مود II قرار گرفته است. نتایج آزمایشگاهی نشان می دهد که زاویه فصل مشترک تورق بر چقرمگی شکست شروع و پایا تاثیر محسوسی داشته است به گونه ای که قابلیت باربری نمونه با زاویه فصل مشترک غیر صفر بیشترین مقدار بوده است. علاوه بر این، مقدار چقرمگی شکست شروع و پایا در نمونه با زوایه فصل مشترک تورق 0//0 کمتر از مقادیر متناظر آن در نمونه های دیگر بوده و طول ناحیه فرآیند شکست در تمامی نمونه ها تقریبا یکسان بوده است. تصاویر بدست آمده از سطوح شکست با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی بیانگر این موضوع است که علاوه بر جدایش الیاف از رزین در ناحیه فصل مشترک تورق، سایر مکانیزم های آسیب مانند شکست الیاف و تغییر شکل بالای ماتریس نقشی اساسی در افزایش چقرمگی شکست نمونه با شکاف انتهایی با زوایای فصل مشترک تورق0//30  و 30//-30 داشته است.

    کلیدواژگان: چقرمگی شکست، منحنی مقاومت، چندلایه های کامپوزیتی با الیاف بافته شده، تورق
  • محمدرضا هاشمی، حامد ادیبی*، احمد ناظری آستانجین صفحات 235-245

    در این پژوهش به تحلیل تجربی مقاومت سایشی قطعات ساخته شده به روش ساخت افزایشی پرداخته شده است. ساخت افزایشی امروزه کاربرد وسیعی در صنایع گوناگون پیدا کرده است و فرآیند لایه نشانی ذوبی یکی از محبوب ترین روش های ساخت قطعه در این زمینه می باشد. با اینکه تاکنون تحقیقات فراوانی با هدف مدل سازی رفتار مکانیکی در این حوزه انجام شده است، ولی در زمینه سایش و مدل سازی این پدیده، مطالعات محدودی صورت گرفته است. در این پژوهش به منظور ایجاد یک رابطه دقیق ریاضی بین متغیرهای ورودی (ضخامت لایه، زاویه و فاصله رشته گذاری) و متغیر پاسخ (نرخ سایش) از طراحی آزمایش به روش طراحی مرکب مرکزی استفاده شده است. به منظور تعیین پاسخ و ارایه مدل رگرسیونی متناسب، بیست آزمایش سیستماتیک انجام شد. با استفاده از تحلیل واریانس، مدل ریاضی منطبق بر فرآیند واقعی بدست آمد، همچنین اعتبار مدل ارایه شده به کمک روش های آماری تایید شده است. نتایج نشان می دهد که مدل ارایه شده میزان نرخ سایش قطعات آکریلونیتریل بوتادین استارین ساخته شده به روش لایه نشانی ذوبی را با ضریب تعیین 44/97% پیش بینی می کند. نتایج بدست آمده از انجام مطالعه تجربی و تحلیل مدل نشان داد که متغیر فاصله رشته گذاری و اثر برهم کنش آن با زاویه رشته گذاری، بیشترین میزان نرخ سایش را ایجاد می کند و همچنین اثر مرتبه دوم ضخامت لایه بیشترین تاثیر منفی را بر نرخ سایش دارد.

    کلیدواژگان: مقاومت سایشی، لایه نشانی ذوبی، روش پاسخ سطح، طراحی مرکب مرکزی
  • حسین ماموسی، محمد بخشی جویباری، حمید گرجی*، رامین هاشمی صفحات 247-261

    نمودارهای حد شکل دهی (FLD) معیارهای بسیار سودمندی جهت اطمینان از شکل دهی بدون خرابی ناشی از گلویی شدن و یا شکست ورق های فلزی تحت بارگذاری های مختلف هستند. این مقاله معیارهای شکست را برای پیش بینی شکل پذیری ورق های فولادی کم کربن مورد استفاده قرار می دهد تا دقت آنها در پیش بینی نمودار های حد شکل دهی تشکیل (FLDs) ارزیابی شود. به علاوه، منحنی های حد شکل هی در شکست (FFLD) و گلویی شدن (NFLD) برای فولاد کم کربن St12 به روش تجربی و همچنین عددی استخراج شده اند. در رویه تجربی، آزمون کشش ناکازیما استفاده شده است. در رویه عددی، با به کار بردن شش معیار شکست نرم پدیدارشناختی در نرم افزار اجزای محدود ABAQUS/Explicit، شکست پیش بینی شده است و با نتایج تجربی مقایسه شده است. این معیارها به کمک شش آزمون تجربی، برش درون صفحه ای، کشش تک محوری، کشش نمونه با برش دایره وسط، کشش نمونه با برش نیم دایره جانبی، کشش نمونه کرنش صفحه ای و همچنین آزمون کشش دو محوری خالص ناکازیما استفاده شده است. نتایج نشان داده است که معیارهایی که شامل هر دو پارامتر تنش سه محوره (η) و پارامتر لود (L)  هستند، پیش بینی درست تری از شکست را ارایه می دهند. همچنین برای پیش بینی گلویی شدن در حین شبیه سازی عددی آزمون ناکازیما و همچنین استخراج نمودارهای حد شکل دهی در گلویی شدن از سه معیار مشتق دوم کرنش بزرگ، مشتق دوم کرنش ضخامت و مشتق دوم کرنش پلاستیک معادل استفاده شده است.

    کلیدواژگان: شکل پذیری ورقهای فلزی، نمودارهای حد شکل دهی(FLD)، معیارهای شکست نرم، معیارهای گلویی شدن
  • وحید غلامی، فتح الله طاهری بهروز*، بهنام معمار ماهر صفحات 263-272

    پنل ساندویچی ترکیبی از یک هسته نرم و دو پوسته با سفتی و استحکام بالا می باشد. در بسیاری از موارد پیوند بین پوسته و هسته به عنوان نقطه بحرانی آسیب رسان به یکپارچگی سازه ساندویچی محسوب می شود. در این تحقیق چقرمگی جدایش پوسته از هسته در تیرهای ساندویچی با هسته شیاردار متشکل از پوسته با جنس کولار 49/پلی استر و هسته از جنس فوم پلی اورتان به صورت تجربی اندازه گیری شده است. مقادیر نرخ رهایی انرژی کرنشی به دست آمده در شروع رشد ترک برای نمونه های مورد آزمایش در محدوده 340 ژول بر مترمربع بوده و با رشد ترک تا محدوده 500 ژول بر مترمربع نیز افزایش می یابد. از جمله نوآوری های تحقیق حاضر می توان به بررسی تاثیر شیاردار کردن هسته ساندویچ پنل، بر مقاومت سازه در برابر رشد ترک اتصالی اشاره کرد. نتایج نشان می دهد که با قرار گرفتن شیار درون هسته ساندویچ پنل، ترک اتصالی در هنگام رشد با برخورد به هر شیار متوقف شده و برای شروع مجدد رشد خود به نیروی بالاتری نیاز دارد. همین پدیده باعث افزایش مقاومت این نوع از سازه در مقابل رشد ترک در ناحیه پوسته/هسته می گردد. در این تحقیق همچنین از مدلی برمبنای تیوری ناحیه چسبناک برای شبیه سازی رشد ترک در نمونه های مورد آزمایش استفاده شده است. مقایسه منحنی های بار-جابجایی به دست آمده از تحلیل نشان می دهد مدل ارایه شده توانایی مناسبی در پیش بینی رفتار سازه در شرایط بارگذاری مشابه را داراست.

    کلیدواژگان: ساندویچ پنل، چقرمگی شکست، ترک اتصالی، مدل ناحیه چسبناک، نرخ رهایی انرژی کرنشی
  • فایزه عظیمی پیرسلطان، سجاد ازگلی*، مجید محمدی مقدم صفحات 273-284

    دست انسان اندام حرکتی پیچیده ای است. عواملی مانند سکته مغزی می تواند عملکرد دست را مختل کند. این بیماران در انجام دادن فعالیت های روزانه استقلال فردی را از دست می دهند. تعامل انسان با ربات موجب پیدایش دستگاه های جدیدی به منظور توان افزایی شده است. هدف از اجرای پژوهش حاضر طراحی و ساخت یک نمونه اولیه مفهومی ربات پوشیدنی قابل حمل است. این ربات به منظور استفاده در فعالیت های روزمره بیمارانی که توانایی اکستنشن (باز شدن) دست خود را از دست داده اند طراحی شده است. از جمله چالش های این حوزه می توان به هزینه بالا به دلیل استفاده از عملگرهای و حسگرهای متعدد برای کنترل اشاره نمود. با افزایش تعداد قطعات به کار رفته در ساخت وسیله، وزن نهایی آن بالا رفته و عملا قابلیت حمل نخواهد داشت. با توجه به اهمیت قابل حمل بودن و نیاز کاربر برای استفاده طولانی از ربات، در اینجا اجزای مکانیزم با وزن کم طراحی شده اند. در مکانیزم ارایه شده، به پایین ترین مفصل چهار انگشت دست، هم زمان و تنها با یک عملگر الکتریکی گشتاور اعمال می شود و در نتیجه، انگشتان باز می شوند. سیستم انتقال نیرو با الگوگرفتن از تاندون های دست، به کمک تغییر طول کابل طراحی گردید. به دلیل اغتشاشات و غیر خطی بودن سیستم، کنترل مد لغزشی با هدف کمینگی خطا طراحی گردید. نتایج کنترل به ازای زاویه خروجی دلخواه مطلوب نشان داد که زاویه مفصل به زاویه طراحی همگراست و خطا به صفر میل می کند. نتایج خوب عملی، همچنین کم بودن هزینه و وزن نهایی نمونه اولیه ساخته شده، حاکی آن است که پژوهش قابلیت توسع ه پذیری دارد.

    کلیدواژگان: سکته مغزی، اسکلت خارجی، دست، ربات پوشیدنی
|
  • Shokrallah Mohammmad Beigi, Alireza Shateri*, Mojtaba Dehghan Manshadi Pages 209-224

    In the present study, the wake flow field of a submarine model was investigated experimentally in a wind tunnel. The experiments were conducted to determine the effect of the location of control surfaces on the wake inflow to the impeller of the submarine. In order to investigate the effect of the location of control surfaces as the most important innovation of the present study, the aforementioned surfaces were installed in three longitudinal positions X/L=0.89, 0.92, 0.95 on the heel of the submarine model, and the wake flow was measured at position X/L=1.7 and the Reynolds number 6*10^5  by a five-hole probe and a hotwire anemometer. Finally, the longitudinal position X/L=0.95 was selected as the optimal location for the stern planes to improve the wake inflow to the impeller in terms of reducing its total area and the least amount of turbulence and non-uniformity. The results obtained during this study showed that arriving of the holder basechr(chr('39')39chr('39'))s wake to the stern area increases ​​the area and average velocity and subsequently reducing the non-uniformity of the wake flow.

    Keywords: Submarine Model, Control Surfaces, Wind Tunnel, Five-hole Probe, hotwire, Wake flow
  • Mazaher Salamat Talab*, Ali Zeinolabedin Beygi, Morteza Seyyednejad Pages 225-233

    Delamination is one of the most common modes of damage in laminated composites that can reduce stiffness and load-bearing capacity of the composite structure, which highlights the importance of studying of this phenomenon. For this purpose, in this study, the effect of the interface fiber angles on the mode II fracture toughness of plain woven laminated composites has been investigated. The end notch flexure specimens (ENF) with 24 layers which have 0//0, 0//30 and 30//-30 interface angles manufactured using hand lay-up method and experimental tests conducted on them in accordance with ASTM standard under load II mode loading. Experimental results show that the interface fiber angle has a significant effect on initiation and propagation of delamination toughness the initial and propagation fracture toughness, so that the load bearing capacity of the specimens with the non-zero interface fiber angle was the highest value. Moreover, the initiation and propagation value of fracture toughness for specimens with 0//0 interface fiber angle was less than the corresponding values for other samples with non-zero interface angles. In addition, the fracture process zone (FPZ) length was approximately the same for all samples. Taken images of fracture surfaces using scanning electron microscopy (SEM) show that in addition to the separation of fibers from the resin at delamination, other damage mechanisms Including fiber breakage and highly deformed matrix play a key role in increasing of the fracture toughness of the sample with 0//30 and 30//-30 interface fiber angle.

    Keywords: Fracture toughness, resistance curve (R-Curve), woven laminated composites, delamination
  • MohammadReza Hashemi, Hamed Adibi*, Ahmad Nazeri Astanjin Pages 235-245

    In this research, the abrasion resistance of components made by Additive Manufacturing (AM) has been modeled. AM is widely used in various industries today and the Fused Deposition Modelling (FDM) process is one of the most popular methods of fabrication in this field. Although many researches have been done with the aim of modeling mechanical behavior in this field, but limited studies have been done in the field of wear and modeling of this phenomenon. In this research, in order to create an exact mathematical relationship between the input variables (layer thickness, raster angle and air gap) and the response variable (wear rate), the experimental design using the Central Composite Design (CCD) method has been done. Twenty systematic experiments were performed to determine the response and provide a proportional regression model. Using analyze of variance (ANOVA), a mathematical model corresponding to the actual process was obtained, and the validity of the proposed model was confirmed by statistical methods. The result show that the proposed model predicts the wear rate of Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) parts made by FDM method with a coefficient of determination of 95.62%. The result of the experimental study and model analysis showed that the variable of air gap and the effect of its interaction with raster angle, creates the highest wear rate and also the second-order effect of layer thickness has the most negative effect on wear rate.

    Keywords: Abrasion Resistance, Fused Deposition Modelling, Response Surface Method (RSM), Central Composite Design (CCD)
  • Hossein Mamusi, Mohammad Bakhshi Jooybari, Hamid Gorji*, Ramin Hashemi Pages 247-261

    Forming Limit Diagrams (FLDs) are very useful measures for safe forming of sheet metals without failure due to necking or fracture under different loading conditions. This paper uses ductile fracture criteria to predict the formability of low carbon steel sheets to evaluate their accuracy in predicting the FLDs. In addition, the fracture forming limit curves (FFLD) and necking forming limit curves (NFLD) for St12 low-carbon steel have been extracted experimentally and numerically. In the experimental procedure, the Nakazima stretching test was used. In the numerical procedure, by defining six phenomenological ductile fracture criteria in ABAQUS / Explicit finite element software, the failure is predicted and compared with the experimental results. These criteria were calibrated using 6 tests namely as In-plane shear, uniaxial tensile test, circle hole test, notched tension test, plane stress test, and Nakazima stretching test. The results showed that the criteria, which include both the stress triaxiality (η) and Lode parameter (L), provide a more accurate prediction of failure. Also to predict necking during numerical simulation of Nakazima test and also to extract the NFLD, three criteria of the second derivative of major strain, the second derivative of thickness strain and the second derivative of equivalent plastic strain have been used.

    Keywords: Sheet metal formability, Forming Limit Diagrams (FLDs), Ductile Fracture criteria, Necking criteria
  • Vahid Gholami, F. Taheri Behrooz*, Behnam Memar Maher Pages 263-272

    The sandwich panel is a combination of a soft core and two stiff, high-strength facesheets. In many cases, the connection between the facesheet and the core is considered as a critical point that can damages the integrity of the sandwich structure. In this study, the debonding toughness between the facesheet and the core in sandwich beams with grooved cores made of Kevlar 49/polyester facesheets and polyurethane foam core has been measured experimentally. The values ​​of the strain energy release rate obtained at the onset of crack growth for the tested specimens are in the range of 340 (J/Square meters) and increase with the crack growth up to 500 (J/Square meters). One of the innovations of the present study is to investigate the effect of grooving the core of the sandwich panel on the resistance of the structure to the growth of interfacial cracks. The results show that by placing the groove inside the core of the sandwich panel, the interfacial crack stops during growth by hitting each groove and requires higher force to restart its growth. This phenomenon increases the resistance of this type of structure against the growth of cracks in the face/core area. In this research, a model based on cohesive zone theory was used to simulate crack growth in the tested specimens. Comparison of load-displacement curves obtained from the analysis shows that the proposed model has a good ability to predict the behavior of the structure under similar loading conditions.

    Keywords: Sandwich panel, Fracture Toughness, Interfacial crack, Cohesive zone model, Strain energy release rate
  • Faezeh Azimi, Sajad Ozgoli*, Majid M. Moghaddam Pages 273-284

    Hands are complex moveable organs of the human body. some reasons such as stroke can cause the hands disordering. These patients have problem doing their daily routines. Communication between human and robots lead to inventing devices to improving ability. This paper aims to design and prototype a portable wearable robot. This robot has been designed to facilitate the daily routines of patients who are not able to extend their hands. Researchers are facing challenges like high cost due to numerous actuators and innumerous sensors used to control the system. As the number of elements used to build the device increase, the ultimate weight of the device, also, grows, and practically it loses portability. According to the importance of portability of the robot and the need for long-term use by the user, device components with less weight are designed in this work. In this regard, in the introduced mechanism, a torque is applied to the lowest metacarpophalangeal joints simultaneously by only one electric operator; therefore, fingers are opened. The power transmission system is inspired from the hand tendon with the help of the cable length changes. Because of disturbances and nonlinearity of the system, sliding mode controller to minimize the error is designed. The results demonstrate that the joint angle converges to the desired angle, and the error tends to zero. Good results of the practical test, in addition to being low cost, and weight imply that we can trust the extensibility of this project.

    Keywords: stroke, exoskeleton, hand, wearable robot