فهرست مطالب

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و سوم شماره 2 (اردیبهشت 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/02/08
  • تعداد عناوین: 20
|
  • محمدجواد کاظم زاده پارسی* صفحه 1

    به طور استاندارد در روش المان محدود وجوه المان های مجاور کاملا بر یکدیگر منطبق بوده و گوشه یک المان بر وجه یک المان دیگر قرار نمی گیرد. درصورتی که این قید نقض شود و گره گوشه ای یک المان بر روی وجه یک المان همسایه واقع شود گفته می شود که شبکه غیرانطباقی است. استفاده از چنین شبکه هایی در روش المان محدود به تکنیک های ویژه ای نیاز دارد. در مقاله حاضر، یک روش جدید برای استفاده از شبکه های غیرانطباقی درخت چهارتایی در روش المان محدود پیشنهاد شده است. درخت چهارتایی یک ساختمان داده درختی است که دارای یک الگوریتم بازگشتی بسیار سریع است و می توان از آن جهت شبکه بندی نواحی دوبعدی استفاده کرد. المان های تولید شده با این روش غیرانطباقی بوده و قابلیت استفاده در روش المان محدود استاندارد را ندارند. به طور کلی شش نوع المان با آرایش متفاوت گره ها در یک درخت چهارتایی ممکن است ظاهر شود که محاسبه توابع شکل آنها با روش های مرسوم و استفاده از چندجمله ای ها مقدور نیست. در مقاله حاضر ایده جدیدی جهت محاسبه توابع شکل چنین المان هایی پیشنهاد شده است. در این روش از حل یک مسئله مقدار مرزی برای استخراج توابع شکل استفاده شده است. شرایط مرزی در این مسئله مقدار مرزی به نحوی انتخاب شده است که تغییرات توابع شکل در بین هر دو گره مجاور به صورت خطی باشد. برای بررسی دقت و کارآیی روش پیشنهادی دو مثال عددی حل شده و نتایج ارایه گردیده است. نتایج نشان می دهد که با استفاده از روش پیشنهادی می توان از شبکه های غیرانطباقی به طور موثری در روش المان محدود استفاده کرد.

    کلیدواژگان: شبکه درخت چهارتایی، شبکه غیرانطباقی، روش المان محدود، تابع شکل
  • مجتبی قاسم زاده مقدم، سید علی هاشمیان* صفحه 2

    در تصادفات موتورسیکلت، شتاب وارد بر سر ناشی از برخورد، خطر بسیار زیادی برای سلامتی موتورسوار و سرنشینان دارد. در این پژوهش با استفاده از مدل اجزاء محدود به تحلیل دینامیکی برخورد مجموعه کلاه ایمنی شامل سر، پوسته، فوم، بالشتک و بند پارچه ای برای بررسی اثر ضخامت و جنس پوسته بر معیار آسیب سر (اچ آی سی) پرداخته شده است. کلاه ایمنی از نوع جلوباز با در نظرگرفتن سه جنس رایج انتخاب شد. در بیشتر تصادفات در لحظه برخورد سر با زمین، نحوه قرارگیری سر به صورت مایل می باشد. در مدل شبیه سازی شده این مقاله، در برخورد نیز سر به صورت مایل قرار گرفته است. نتایج به دست آمده از این تحقیق با نتایج آزمایشات تجربی و مقالات معتبر تایید شده اند. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که ضخامت بهینه ای برای کلاه ایمنی صرف نظر از جنس آن وجود دارد. برای تعیین ضخامت بهینه باید مصالحه ای بین پارامترهای مختلفی چون معیار آسیب سر، شکست پوسته، وزن و قیمت انجام شود. طبق نتایج به دست آمده، در صورتی که ضخامت افزایش یابد، وزن کلاه و دامنه تغییرات شتاب وارد بر سر افزایش یافته و همچنین احتمال شکست پوسته کاهش می یابد. در صورتی که با کاهش ضخامت، علی رغم کاهش شتاب وارد بر سر، تنش ایجاد شده در پوسته افزایش یافته و منجر به شکست آن می شود.

    کلیدواژگان: کلاه ایمنی، روش اجزاء محدود، برخورد مایل، معیار آسیب سر، آزمایش ضربه
  • فرزانه اجاق نژاد* صفحه 3

    هدف، حل مساله ی لمه گونه ی کروی یک/دو فازی با استفاده از الاستیسیته ی تقویت یافته ی گرادیان دوم کرنش و مقایسه با الاستیسیته ی کلاسیک است. نظر به قابلیت گرادیان دوم کرنش در پیش بینی اثرات سطح، اندازه و ماهیت گسسته ی مواد، مساله ی لمه گونه مدلسازی شده و پیکربندی هندسی تحت اثرات یاد شده مطالعه می شود. با تبیین گرادیان دوم کرنش میندلین در دستگاه مختصات کروی، معادلات تعادل حاکم، میدان تنش و کرنش، روابط آنها و نیروهای سطحی روی مرزها استخراج می شود و مساله ی لمه گونه با اعمال تقارن کروی مدلسازی می شود. بعد از آسایش ناشی از اثرات سطح و اندازه، بارگذاری خارجی متقارن روی نانو سازه و پاسخ متناظر بررسی می شود. خواص مکانیکی نانوسازه برای لمه گونه ی تک فازی از کربن بلوری الماس و همچنین لمه گونه ی دوفازی از سیلیکون بلوری با پوشش کربنی مطالعه می شود. مقادیر عددی ثابت های مواد با استفاده از محاسبات کوانتومی، نظریه ی شبکه ی بلوری و مدلسازی محیط پیوسته محاسبه و در نتایج مورد استفاده قرار می گیرد. محاسبات نشان می دهد که پیش بینی نظریه ی تقویت یافته از خواص مکانیکی نانوسازه تفاوت چشمگیری با پیش بینی کلاسیک دارد. به عنوان مثال، در لمه-گونه ی کربنی با شعاع داخلی و خارجی به ترتیب 2 و 10 برابر پارامتر شبکه، تحت بارگذاری فشاری خارجی برابر ، تنش شعاعی در الاستیسیته ی کلاسیک ثابت و حدود است، در حالی که در گرادیان دوم کرنش تنش شعاعی از مقادیر و در مرزهای داخلی و خارجی، به ترتیب، به در میانه متغیر است. با افزایش شعاع داخلی نانوکره اختلاف دو نظریه در میانه ی محیط کاهش می یابد اما در نزدیکی سطوح کماکان اختلاف قابل ملاحظه است.

    کلیدواژگان: نظریه ی گرادیان دوم کرنش، اثر اندازه، اثر سطح، لمه گونه ی کروی، تقارن کروی
  • محمدحسن حاج باقری، امیررضا شاهانی* صفحه 4

    فانوسی ها یکی از اجزاءی پرکاربرد در بسیاری از صنایع می باشند.غالبا داخل این اجزاء سیالی در حرکت بوده و از فانوسی به عنوان جبران کننده طول، نشت بند و جاذب ارتعاشات استفاده می شود. کارکرد فانوسی ها معمولا تحت فشار بوده و افزایش بیش از حد فشار موجب کمانش در فانوسی می شود. در فانوسی ها دو نوع کمانش رخ می دهد که با نام کمانش ستونی و کمانش درون صفحه ای شناخته می شوند. در این مقاله ابتدا به بررسی روابط تحلیلی ارایه شده پیرامون کمانش فانوسی پرداخته شده سپس با استفاده از نرم افزار اجزاء محدود آباکوس کمانش فانوسی ها مورد بررسی قرار گرفته و نتایج آن با نتایج آزمایشگاهی موجود در منابع مقایسه شده است. بر اساس نتایج به دست آمده هرچند تحلیل الاستیک پدیده کمانش در فانوسی ها شکل مود های صحیح و قابل قبولی را نتیجه می دهد اما فشار کمانش به دست آمده از این تحلیل چندین برابر فشار تجربی می باشد. سپس با اعمال نقص به شکل جابه جایی هم شکل با چند مود ابتدایی کمانش سازه و تحلیل غیر خطی با استفاده از نمودار نیرو - جابه جایی، بار کمانش سازه محاسبه گردیده است. در ادامه تعداد مودها و میزان اعمال جابه جایی اولیه مورد نیاز با مقایسه نتایج تحلیل عددی با نتایج تجربی موجود مورد بررسی قرار گرفته و همگرایی مناسبی بین نتایج تحلیل عددی و نتایج تجربی به وجود آمده است.

    کلیدواژگان: فانوسی، کمانش غیرخطی، روش اجزاء محدود، نقص
  • الهام علیزاده، مهدی دهستانی*، فیلیپ زیست صفحه 5

    استخوان بافت بیولوژیکی معدنی بوده که اجزاء اصلی آن دارای خواص مکانیکی بسیار متفاوتی می باشند. علایم بالینی برخی از بیماری ها مانند پوکی استخوان در سطح ماکرو رخ داده ولی علت آن تغییر ساختار استخوان در سطح نانو می باشد. بنابراین انجام مطالعات در سطوح نانو و میکرو ضرورت داشته و از نتایج آن می توان در ساخت ایمپلنت ها، داربست ها و پیوندهای استخوانی بهره گرفت. در تحقیق حاضر خواص الاستیک و رفتار استخوان در سطح نانو با روش اجزاء محدود مدلسازی شده و از لایه های چسبنده با خواص مکانیکی متفاوت استفاده شده است. پس از صحت سنجی مدل، نتایج توزیع تنش و خواص الاستیک آن با نتایج تحلیلی Shear-Lag مقایسه شده است. نسبت کرنش مواد معدنی به کل مدل که در اکثر مطالعات پیشین ارزیابی نشده، برای مصالح بینابینی مختلف ارایه شده است. تاثیر تغییر نسبت حجمی مواد معدنی و خصوصیات مکانیکی کلاژن بر رفتار مدل نیز بررسی شده است. نتایج حاصل از مقایسه مدل عددی با سایر مدل های عددی و تحلیلی نشان دهنده تطابق بسیار خوبی می باشد. مصالح بینابینی کلاژن و صفحات معدنی با خواصی ناشناخته مهمترین عامل گسیختگی فیبریل کلاژن معدنی بوده و با ارزیابی پارامترهای مختلف در این تحقیق، حضور لایه ضخیم آب با پیوندهای واندوالسی و برشی ویسکوز به عنوان محتمل ترین لایه چسبنده معرفی شده است. نتایج مطالعات پارامتریک نشان می دهد که خواص غیرخطی کلاژن سبب ایجاد تغییرات چشمگیری در عملکرد مدل شده است. همچنین جهت کاهش هزینه محاسبات در مدل های سه بعدی، می توان از ساختارهای تک سلولی با شرایط مرزی پریودیک استفاده نمود.

    کلیدواژگان: استخوان، نانو، المان چسبنده، مدل Shear-Lag، اجزاء محدود
  • علی محمودیان، محمد دورعلی*، محمود سعادت صفحه 6

    روش های پیش بینی عمر مفید باقیمانده (پروگنوسیس) داده-پایه برای اینکه بتوانند عملکرد مطلوبی داشته باشند، معمولا نیازمند مقدار زیادی داده هستند تا ابتدا به خوبی آموزش ببینند، لذا عملکرد آنها به طور معمول برای مقادیر کم داده های آموزش مطلوب نمی باشد. روش پروگنوسیس به کمک دسته بندی سنی (ABC) حجم داده های آموزش را از طریق بازتولید مجموعه اولیه داده ها در مقاطع مختلف افزایش می دهد، لذا این روش می تواند در مواردی که حجم داده های آموزش اندک می باشد، مورد استفاده واقع شود. همچنین، ساختار پیشنهادی ABC می تواند با بسیاری از روش های متداول پیش بینی و تخمین ترکیب شده و دقت نتایج آنها را به طور قابل توجهی بهبود ببخشد. در این مقاله، ساختار پروگنوسیس ABC شرح و اثربخشی آن برای پیش بینی در یک مطالعه موردی در موتورهای توربین گاز نشان داده شده است. در قسمت اول کار، داده های کافی برای آموزش در دسترس بوده است. نتایج این قسمت با نتایج بهترین مقالات ارایه شده بر روی داده های مشابه مقایسه شده است. در قسمت دوم مطالعه موردی، مقاوم بودن روش پیشنهادی در شرایطی که حجم داده های آموزش محدود باشد بررسی شده است. در این قسمت خطای پیش بینی عمر برای موارد مختلف با حجم محدود داده های آموزش مقایسه شده است. نتایج این تحقیق اولا بهره وری روش ABC را در مقایسه با سایر رویکردهای موجود (در شرایطی که داده آموزش غنای کافی دارد) نشان می دهد، و دوم مقاوم بودن روش را (در شرایطی که داده آموزش محدود است) نشان می دهد.

    کلیدواژگان: پیش بینی وضعیت، قابلیت اطمینان، داده های آموزش محدود، پروگنوسیس و مدیریت سلامت
  • امید صفری، محمدرضا ذاکرزاده، مصطفی باغانی* صفحه 7

    در سال های اخیر کاربرد منابع انرژی سیار و در نتیجه سیستم های استحصال انرژی جهت استفاده از منابع انرژی محیط، افزایش پیدا کرده است. در این تحقیق، یک چیدمان نوآورانه برای یک سیستم بازیابی انرژی با استفاده از آلیاژ حافظه دار مغناطیسی  تحت بستر یک تیر موج دار یک سر درگیر و تاثیر پارامترهای محیطی بر ولتاژ بدست آمده، به روش اجزاء محدود بررسی شده است. دلیل استفاده از ساختار موج دار، افزایش مقاومت در ضخامت های کم و همچنین افزایش میدان کرنش موثر در المان آلیاژ حافظه دار است که باعث کاهش طول مجموعه و حجم اشغالی آن می شود. مبنای بازیابی انرژی از سیستم مذکور تبدیل انرژی ارتعاشی تیر به انرژی الکتریکی می باشد. یک سیم پیچ مسی حول المان های آلیاژ حافظه دار پیچیده شده و این مجموعه در یک میدان مغناطیسی ثابت قرار دارد. اگر یک میدان تنش یا کرنش به المان های آلیاژ حافظه دار وارد شود، جهت گیری اجزای موسوم به واریانت تغییر کرده و این امر باعث آشفته سازی میدان مغناطیسی اطراف المان آلیاژ حافظه دار می شود که بر اساس قانون فارادی ، یک جریان الکتریکی در سیم پیچ القا می کند. این مسئله به وسیله شبیه سازی اجزاء محدود در نرم افزار آباکوس و استفاده از کد ساختاری یومت به جهت مدل سازی رفتار آلیاژ حافظه دار بررسی شده است. جهت مدل سازی رفتار آلیاژ حافظه دار از مدل غیر خطی گسترش یافته کیفر و لاگوداس استفاده شده است. در این تحقیق، تاثیر شرایط اولیه آلیاژ حافظه دار و میدان مغناطیسی خارجی بر ولتاژ خروجی بررسی شده است.

    کلیدواژگان: آلیاژ حافظه دار مغناطیسی، بازیابی انرژی، تیر موج دار، ارتعاشات، المان محدود
  • محمد پرهیزکار یعقوبی، مهدی قناد کهتوئی* صفحه 8

    امروزه، عملگرها و حسگرها، جایگاه ویژه ای در جهان علم و صنعت دارند. بنابراین تحلیل الکتروالاستیک مواد پیزوالکتریک از موضوعات مورد توجه ی پژوهشگران بوده تا بتوانند درک صحیحی از رفتار سازه ها بیابند و با بهینه سازی آنها، گام موثری در طراحی و ساخت سازه ها بردارند. در پژوهش حاضر با استفاده از روش انرژی، نظریه ی تغییر شکل برشی مرتبه ی یک و نظریه ی پتانسیل الکتریکی مرتبه ی یک، معادلات حاکم بر استوانه ی جدار ضخیم ساخته شده از مواد پیزوالکتریک که تحت بارگذاری الکتریکی و مکانیکی در لایه های داخلی و خارجی استوانه و دارای شرایط مرزی مختلف در دو سر استوانه، استخراج شده است. سپس یک حل تحلیلی و ریاضی برای دستگاه معادلات حاکم بر پوسته ی استوانه ای ارایه می شود و با استفاده از این حل، نتایج مربوط به رفتار الکترومکانیکی استوانه برای شرایط مرزی مختلف الکتریکی و مکانیکی استخراج شده و با نتایج عددی حاصل از روش اجزای محدود مقایسه و بررسی می شوند. حل تحلیلی ارایه شده در این پژوهش، زیرمجموعه ی حل های سری گونه نیست و نیاز به بررسی همگرایی پاسخ ندارد. هم چنین حل ارایه شده، از حجم محاسباتی کم تری نسبت به حل های سری گونه برخوردار است. نتایج به دست آمده از دو روش تحلیلی و عددی، دارای تطابق خوبی بوده و نشان می دهند که حل تحلیلی ارایه شده با دقت مطلوب، قابل استفاده می باشد.

    کلیدواژگان: استوانه ی جدار ضخیم، پیزوالکتریک، نظریه ی تغییر شکل برشی، نظریه ی پتانسیل الکتریکی مرتبه ی یک
  • حسن امینی*، پروین قلیزاده، اسماعیل پورسعیدی صفحه 9

    وجود عیوب و تنش های پسماند سبب تضعیف مقاومت پوشش‎های چندلایه در مقابل رشد ترک می شود. برای بررسی این موضوع رشد ترک در دو ساختار لایه نشانی شده و ایده آل Ti/TiN با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی بررسی شده است. برای این منظور ابتدا لایه نشانی TiN بر روی بستر Ti انجام گرفته، سپس رشد ترک در دو ساختار مذکور بررسی گردیده است. رشد لایه TiN بر روی Ti جزیره ای بوده و ساختار لایه نشانی شده دارای عیوب و تنش پسماند می باشد. نتایج نشان داد که هر دو تنش پسماند صفحه ای و نرمال، در بستر و پوشش به ترتیب کششی و فشاری می باشد. با استفاده از تغییر انرژی در لایه ها انرژی چسبندگی فصل مشترک محاسبه شده است که برابر 166 کیلوژول بر مول می باشد. در قسمت دوم با جایگذاری ترکی به طول 15 آنگستروم در لایه سرامیک در دو ساختار ایده آل و لایه نشانی شده رفتار رشد ترک بررسی شده است. نتایج نشان داد به دلیل ترد بودن لایه سرامیک، در هر دو حالت ذکر شده ترک تا فصل مشترک لایه ها رشد می کند. در ادامه تغییرشکل پلاستیک لایه Ti و همچنین ساختار فصل مشترک بین دو لایه مانع از رشد ترک و شکست کامل می گردد. همچنین تنش بحرانی لازم برای رشد ترک در ساختار منظم 5/2 برابر مقدار آن در ساختار لایه نشانی شده است که دلیل آن وجود عیوب و تنش پسماند در ساختار لایه نشانی شده می باشد.

    کلیدواژگان: پوشش چندلایه، دینامیک مولکولی، لایه نشانی، رشد ترک
  • علی اصغر یلدایی، حسین رحمانی*، فرامرز سرحدی، محمدرضا صالحی کلاهی صفحه 10

    با توجه به لزوم دستیابی به تشدیدگرهای با ضریب کیفیت بالا در سیستم های میکروالکترومکانیکی، شناخت و بررسی عوامل موثر بر ضریب کیفیت امری ضروری و اجتناب ناپذیر می باشد. در سیستم های میکروالکترومکانیکی از میکروصفحات مرتعش به عنوان تشدیدگر و فیلتر های RF و... استفاده می شود. در این پژوهش به بررسی اثر میرایی ترموالاستیک که از مهم ترین عوامل تاثیر گذار بر ضریب کیفیت می باشد، برای ارتعاشات عرضی میکروصفحه مستطیلی شکل در دو حالت آزاد و اجباری پرداخته شده است. ارتعاشات اجباری میکروصفحه در پژوهش حاضر ناشی از اعمال نیروی الکترواستاتیک در نظر گرفته می شود. جهت ساده سازی و حل معادلات از روش گالرکین استفاده شده است. نتیجه یک معادله جبری غیر خطی می باشد که می تواند برای محاسبه ضریب کیفیت میکروصفحات مستطیلی با شرایط مرزی مختلف مورد استفاده قرار گیرد. بر خلاف پژوهش های پیشین، مدل ارایه شده به طور مستقیم می تواند ضریب کیفیت را محاسبه کند و نیازی محاسبه فرکانس طبیعی در حالت بدون در نظر گرفتن میرایی ندارد. برای شبیه سازی اجزای محدود از نرم افزار کامسول مولتی فیزیکس استفاده شده است. در پایان پس از اطمینان از صحت نتایج، تاثیر پارامترهای مختلف بر ضریب کیفیت مورد بررسی قرار گرفته است. مدل ارایه شده جهت محاسبه ولتاژ ناپایداری پولین نیز می تواند موثر واقع شود. از نتایج این پژوهش می توان جهت طراحی سیستم های میکروالکترومکانیکی استفاده کرد.

    کلیدواژگان: سیستم های میکروالکترومکانیکی، میکروصفحه، میرایی ترموالاستیک، ضریب کیفیت
  • غلامحسن پایگانه*، کرامت ملک زاده فرد، فهیمه راشد سقاواز صفحه 11

    .سازه های هوایی هنگامی که تحت اثر نیروهای ناپایستار، به ویژه نیروهای تعقیب کننده قرار می گیرند، ممکن است علاوه بر ناپایداری استاتیکی در معرض ناپایداری دینامیکی (پدیده فلاتر) نیز قرار بگیرند. به همین علت ضروری است، سازه به نحوی طراحی گردد، تا از وقوع ناپایداری های استاتیکی و دینامیکی جلوگیری شود. در این مقاله به کمک تیوری مرتبه بالای تیرهای ساندویچی جدید برای اولین بار، ناپایداری دینامیکی تیر ساندویچی ضخیم با هسته انعطاف پذیرتابعی FGM تحت اثر نیروی تعقیب کننده مورد بررسی قرار گرفته است. تیر ساندویچی به صورت الاستیک خطی با جابجایی ها و چرخش های کوچک در نظر گرفته شده است. معادلات حرکت تیر ساندویچی مرتبه بالا، تحت اثر نیروی تعقیب کننده به کمک اصل همیلتون استخراج شده است. با اعمال شرایط مرزی و با کمک روش حل عددی تربیع مربعات، پدیده فلاتر تیر مورد بررسی قرار گرفته است. علاوه بر صحه گذاری نتایج، اثر پارامترهای مختلف هندسی و موادی تیر نیز بر آستانه نیروی فلاتر مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد، برای تیرهای بلند، مقدار نیروی تعقیب کننده آستانه پدیده فلاتر به نتایج متناظر در تیر تیموشنکو میل می کند.

    کلیدواژگان: سازه های هوایی، سازه های ساندویچی، ناپایداری دینامیکی، روش حل عددی، هسته FGM
  • لاله فتاحی*، علیرضا علی پور صفحه 12

    محفظه احتراق یکی از اجزای مهم سیستم های تولید توان است که عملکرد مناسب آن در راندمان سیستم و نیز میزان آلایندگی تاثیر مستقیم دارد. افزایش روزافزون آلاینده های ناشی از محفظه های احتراق موجب توسعه روش های نوین احتراقی مانند احتراق رقیق پیش آمیخته برای جایگزینی با شعله های سنتی غیرپیش آمیخته شده است، اما این نوع احتراق بیشتر از احتراق سنتی در معرض ناپایداری ها و نوسانات فشار و سرعت است که تبدیل به یک چالش برای سازندگان محفظه های احتراق شده است. به دلیل حرارت بالای محفظه، برهمکنش بین حرارت آزاد شده و امواج اکوستیک موجود در محفظه احتراق می تواند منجر به تقویت امواج فشاری و ایجاد نویز و صدا و ایجاد ارتعاش در دیواره محفظه احتراق می شود که در صورت تداوم، می تواند موجب خرابی ناشی از خستگی شود. در پژوهش حاضر، ابتدا ارتعاشات آزاد دیواره محفظه در حالت سرد بررسی می شود و مدل اجزای محدود آن با بهره گیری از پارامترهای مودال تجربی به روز می گردد. به منظور مدلسازی رفتار ارتعاشی دیواره در حالت گرم، ابتدا فرایند به روزرسانی مدل انجام شده و سپس با بهره‎گیری از نتایج حاصل از تحلیل جریان درون محفظه، با درنظر گرفتن شعله به عنوان یک منبع آکوستیک، پاسخ گذرای دیواره محاسبه می شود. با مدلسازی اجزای محدود ارتعاشات آزاد دیواره محفظه و تحلیل مودال در حالت سرد و گرم، علیرغم ساده سازی های انجام شده جهت کاهش حجم محاسبات، پارامترهای مودال دیواره با دقت قابل قبولی تخمین زده شده و با تحلیل گذرا نیز دامنه سرعت دیواره در اثر نوسانات فشاری ناشی از احتراق در بازه زمانی موردبررسی با دقت قابل قبولی پیش بینی شده است.

    کلیدواژگان: ارتعاشات، محفظه احتراق، برهمکنش سازه و سیال، شبیه سازی عددی
  • احسان سلاحی*، علیرضا ستوده، مسعود طهانی صفحه 13

    در این مقاله یک روش کارآمد و دقیق برای تحلیل گذرا و ارتعاشات آزاد پوسته مخروطی ناقص مدرج تابعی در معرض فشار متحرک متقارن داخلی و خارجی توسعه داده شده است. خواص مواد پوسته دارای تغییرات پیوسته در جهت شعاعی است و از مدل های موری-تاناکا و کسر حجمی قانون توزیع توانی پیروی می کند. بدین منظور یک روش حل عددی که ترکیبی از روش های تیوری لایه ای، روش مربعات دیفرانسیلی و بسط سری فوریه است برای بررسی این مساله بکار گرفته شد. از بسط سری فوریه برای مدلسازی تغییرات جابجایی و فشار دینامیکی در جهت محوری استفاده می شود. سپس با بکارگیری تیوری لایه ای در راستای ضخامت پوسته و اعمال آن در اصل هامیلتون ، معادلات حرکت و شرایط مرزی تعیین گردید. در نهایت نیز از روش مربعات دیفرانسیلی جهت مدلسازی تغییرات مولفه های جابجایی در معادلات حاکم در دامنه زمانی استفاده گردید. این تحقیق در برگیرنده نتایج جالبی است که می تواند در طراحی پوسته های مدرج تابعی در معرض فشار متحرک مثمر ثمر واقع شود. نتایج بدست آمده از این مدلسازی بصورت موفقیت آمیزی با نتایج مشابه موجود در مقالات مورد مقایسه قرار گرفت. مطالعه روند همگرایی، سرعت بالای همگرایی این روش را اثبات نمود. نتایج بدست آمده بیانگر این است که تحریک ناشی از عبور فشار متحرک در پوسته موجب ایجاد ارتعاشات آزاد با دامنه ارتعاشی قابل توجه ی می شود. همچنین افزایش مساحت ناحیه تحت اعمال فشار متحرک و با فرض ثابت بودن اندازه بار اعمالی، میزان جابجایی شعاعی و تنش مماسی کاهش می یابد.

    کلیدواژگان: مواد مدرج تابعی، پوسته مخروطی، فشار متحرک، روش مربعات دیفرانسیلی، تئوری لایه ای
  • سعید خان کلانتری، محسن حاجی زاده، کاظم حیدری، حسن محمدخانی* صفحه 14

    کنترل زمان برخورد موشک با هدف دارای مانور در کاربردهایی همچون حمله گروهی از اهمیت بالایی برخوردار است. در این مقاله، به منظور کنترل زمان برخورد موشک با هدف مانور دار، قانون هدایت مبتنی بر روش مود لغزشی پیشنهاد گردیده است. بدین منظور، با در نظر گرفتن دینامیک غیر خطی برای سیستم هدایت و انتخاب سطح لغزش مناسب، به طراحی کنترل کننده مود لغزشی پرداخته و با استفاده از روش لیاپانوف، شرط کافی برای پایداری سیستم حاصل ارایه شده است. سطح لغزش به نحوی انتخاب می شود که کنترل مود لغزشی به صورت همزمان نرخ خط دید و خطای زمان باقیمانده تا هدف را صفر و بدین صورت برخورد در زمان مطلوب را تضمین می نماید. با در نظر گرفتن معادلات دینامیک غیر خطی هدف دارای مانور در طراحی، کنترل کننده پیشنهادی رسیدن موشک به هدف مانور دار را در زمان برخورد مطلوب تضمین خواهد کرد. در روش پیشنهادی نیاز به در نظر گرفتن فرضیاتی چون کوچک بودن زاویه ی مسیر پرواز و ایستا بودن هدف نمی باشد. با بهره گیری از مثالی شبیه سازی، کارایی روش پیشنهادی در سناریوهای مختلف (هدف ایستا و مانوردار) و با در نظر گرفتن زمان های متفاوت برای برخورد صورت پذیرفته و کارآمدی و برتری آن در مقایسه با سایر روش ها نشان داده شده است.

    کلیدواژگان: قانون هدایت، کنترل مود لغزشی، زمان برخورد، هدف مانوردار
  • علی اصغر جعفری*، مسعود گلزاری صفحه 15

    یک مدل تیوری به منظور مطالعه افت انتقال صوت در یک پوسته مخروطی ناقص با لایه متخلخل معرفی می شود. پوسته مخروطی همسانگرد و جدار نازک است و به وسیله یک موج صوتی صفحه ای که به صورت مایل به سطح بیرونی آن برخورد می کند، تحریک می شود. از تیوری لاو جهت پیاده سازی معادله های حرکت پوسته مخروطی استفاده می شود، و با استفاده از یک روش حل همگرا بر پایه سری های توانی، پاسخ دینامیکی پوسته به صورت دقیق محاسبه می گردد. همچنین جهت مدلسازی انتشار موج در ماده متخلخل، از روش سیال معادل بر پایه تیوری بایو بهره گرفته می شود. در ابتدا، نتایج مدل حاضر با نتایج مطالعه های گذشته اعتبارسنجی می گردد. سپس، اثرات چندین پارامتر مهم طراحی همچون شرایط مرزی مختلف در دو سر پوسته مخروطی، زاویه راس مخروط، زاویه موج صوتی برخوردی و جنس پوسته بر ویژگی های افت انتقال صوت این نوع سازه بررسی می گردد. نشان داده می شود مدل حاضر می تواند به عنوان یک ابزار موثر در مرحله طراحی صوتی پوسته-های مخروطی ناقص به کار گرفته شود. به علاوه، افت انتقال صوت در حضور لایه ای از ماده متخلخل که در دو ساختار متفاوت به جداره پوسته متصل شده است، محاسبه می گردد. نتایج به طور کلی عملکرد مطلوب لایه متخلخل را در زمینه عایق بندی صوتی سازه نشان می دهد.

    کلیدواژگان: افت انتقال صوت، پوسته مخروطی ناقص، مواد متخلخل، موج صوتی صفحه ای
  • سلمان احمدی، رامبد رستگاری* صفحه 16

    گرفتن جسم توسط انگشتان ربات با وجود قیود غلتش ناب از موضوعات تحت بررسی توسط محققین بسیاری می باشد. در مطالعات انجام پذیرفته تا کنون، بررسی اعمال قیود غلتش ناب با هدف رساندن جسم در وضعیت پایدار جدید مورد توجه بوده است. در این مقاله علاوه بر بررسی های معمول سینماتیک و دینامیک بر روی سیستم دو انگشتی واقع بر یک دست متحرک رباتیک صفحه ای که نوک انگشت ها به صورت نیم کره و صلب فرض شده اند، موضوع جابجایی جسم نیم دایره که یک سطح آن تخت است، مطابق مسیر مشخص با حفظ پایداری دینامیکی آن نیز مورد بررسی قرار گرفته است. در این راستا از کنترل امپدانس چندگانه برای اعمال کنترل با انجام اصلاحات مورد نیاز در آن بهره گرفته شده است. در روش کنترل امپدانس چندگانه سعی می شود با اعمال رفتارهای مطلوب بر کل اجزای سیستم از جمله پایه متحرک، انگشت ها و جسم، شرایط پایداری دینامیکی ارضا شود. تنظیم مناسب نیرو در این روش و این که این نیروها در مکان مناسب وارد شوند تا حد زیادی در به حداقل رساندن لغزش انگشت ها بر سطح جسم موثر می باشد. نتایج شبیه سازی های انجام پذیرفته روبات و جسم حاکی از کنترل، هدایت و همچنین پایداری مناسب جسم توسط مجموعه انگشتان و پایه متحرک می باشد.

    کلیدواژگان: گرفتن دو انگشتی، پایداری، کنترل جسم، نوک انگشتان، کنترل امپدانس چندگانه
  • سینا نامداری، سعید رضاپور خانقاه، محمدعلی حامد* صفحه 17

    یکی از مسایل پر اهمیت در مورد خودروهای سواری بحث پایداری حرکتی می باشد، که با توجه به اهمیت این موضوع تحقیقات زیادی در زمینه پایداری کششی و پایداری حرکت جانبی خودروها انجام گرفته است. در این مقاله ، بررسی پایداری خودرو برای حرکت طولی و جانبی به صورت همزمان انجام گرفته است. مدل چهارچرخ خودرو برای استخراج معادلات در نظر گرفته شده و برای مدل سازی رفتار تایرها و جاده از مدل غیرخطی داگاف استفاده شده است. برای سیستم قدرت خودرو از مدل موتور چو با دو متغیر حالت استفاده شده است که موجب می شود اعمال گشتاور به چرخ ها به حالت عملی نزدیک تر باشد. برای کنترل سیستم از روش کنترل غیرخطی مد لغزشی فراپیچشی استفاده شده است که روشی مقاوم در برابر اغتشاشات و عدم قطعیت های مدل است. در مدل کنترلی ارایه شده برای کنترل پایداری طولی و پایداری جانبی، به ترتیب زاویه دریچه گاز و گشتاور چرخشی به عنوان ورودی و ضریب لغزش طولی و سرعت چرخشی به عنوان خروجی در نظر گرفته شده اند. در بخش بررسی نتایج سیستم به سه شکل مجزا در حالت های دارای کنترل کننده طولی، دارای کنترل کننده جانبی و در نهایت سیستم با کنترل کننده ترکیبی و همزمان طولی و جانبی مورد بررسی قرار گرفته است . در هر سه مورد ذکر شده به بررسی پایداری سیستم در حضور عدم قطعیت ها و اغتشاشات پرداخته شده است. نتایج به دست آمده کارآمدی روش ارایه شده را در کنترل ترکیبی پایداری طولی و جانبی نشان می دهد.

    کلیدواژگان: پایداری خودرو، پایداری ترکیبی طولی و جانبی، مدل تایر داگاف، مدل موتور چو، کنترل مد لغزشی فراپیچشی
  • محمد نوابی*، حامد غفاری صفحه 18

    در این مقاله از محدودیت در ظرفیت عملگرها به عنوان نقش کلیدی در طراحی سیستم کنترل پرواز هواپیما استفاده شده است. به منظور تضمین عملکرد و پایداری سیستم های کنترل پرواز در حضور اشباع، در ناحیه پرواز در زوایای حمله بالا، توسعه روش نابرابری ماتریسی خطی، تکنیک های بهینه سازی و روش های حل عددی و تلفیق این روش ها با کنترلرهایی که با اشباع روبرو می شوند، مطرح می شود. همچنین در این مقاله، از تلفیق دو روش ضدجمع شوندگی و روش مستقیم اشباع، در مساله ردیابی زاویه مسیر پرواز پرداخته می شود. برای این هدف، مدل غیرخطی هواپیمای مورد بررسی مدل سازی وشبیه سازی شده و مدل خطی در نقاط شرایط کاری تریم بدست آمده است. سپس کنترلر نامی برای مانور ردیابی زاویه مسیر پرواز بدون در نظر گرفتن اشباع طراحی می شود. در ادامه با در نظر گرفتن ماکزیمم اغتشاش وارده بر مانور هواپیما، کنترلر امن که تضمین عملکرد و پایداری را داشته باشد طراحی شده و تکنیک زمان بندی بهره ها برای جلوگیری از محافظه کاری در استفاده از کنترلرها اعمال می شود. نتایج برای مدل غیرخطی و خطی هواپیمای مورد بررسی در ردیابی زاویه مسیر پرواز در زوایای حمله بالا با احتساب قیود کنترلی و اشباع در حالت شرایط کاری ناپایدار ارایه می شود. نتایج شبیه سازی بیانگر بهبود روش کنترلی فوق برای هواپیمای ناپایدار می باشد.

    کلیدواژگان: قیود کنترلی و اشباع، روش نابرابری ماتریسی خطی، هواپیما، زمان بندی بهره ها، کنترلر ضدجمع شوندگی
  • سید داوود نیکخوی تنها، محرم حبیب نژاد کواریم*، سیاوش فتح الهی دهکردی صفحه 19

    در این مقاله، طراحی یک سیستم کنترل فازی به منظور مسیریابی و کنترل ربات سیار در محیط اجتماعی با حضور موانع مورد بررسی قرار می گیرد. الگوریتم کنترلی ارایه شده با دریافت موقعیت هدف در هرلحظه ی زمانی، مسیر مناسب جهت رسیدن به هدف بدون برخورد با موانع را تولید می نماید. در بررسی موانع، فرض براین است که موانع ثابت و متحرک ازجمله انسان در محیط اجتماعی حضور دارند. همچنین، حرکت ربات به گونه ای تنظیم می گردد که احساسات افراد مدنظر قرارگرفته و در محیط موجب ایجاد ترس یا تغییر در رفتار حرکتی نشود. سیستم فازی مورد استفاده در این مقاله دارای چهار ورودی (فاصله مانع با ربات، زاویه ی نسبی مانع، سرعت نزدیک شدن مانع به ربات و زاویه ی نسبی هدف) و دو خروجی (سرعت خطی و زاویه ای پایه ی ربات) می باشد. سیستم پیشنهادی در حالت های مختلف با لحاظ حرکت متنوع موانع و هدف مورد بررسی قرار می گیرد. به منظور صحت سنجی روش ارایه شده، سیستم کنترلی طراحی شده بر روی ربات آزمایشگاهی اسکات پیاده سازی می گردد. برای پیاده سازی علاوه بر طراحی رابط گرافیکی، تغییرات جدیدی نیز در نحوه عملکرد سیستم مکاترونیکی آن بعمل آمده است. نتایج بدست آمده علاوه بر بیان اهمیت تعیین تعداد داده ی ارسالی در فاصله های زمانی مشخص، اثر الگوریتم حضور مانع را نیز مشخص می نمایند. بدین ترتیب نوآوری اصلی این مقاله، نحوه ی انتخاب ورودی و خروجی های منطق فازی و همچنین استفاده از قواعد فازی بمنظور حرکت ربات در مجاورت موانع، مشابه رفتار حرکتی انسان می باشد. چنین کنترلی سبب می گردد افرادی که نزدیک ربات تردد می کنند، ترس از برخورد با ربات را احساس نکنند.

    کلیدواژگان: کنترل فازی، ربات سیار اجتماعی، مسیریابی هوشمند، هدف کنترلی متغیر با زمان، رابط گرافیکی
  • بهزاد بهرامی جو، علی جمالی*، نادر نریمان زاده صفحه 20

    مدل سازی یکپارچه سیستم های فیزیکی در دامنه های مختلف، نیازمند یک زبان مشترک است. یکی از روش هایی که می توان به وسیله آن این کار را انجام داد، باندگراف نام دارد. این روش با استفاده از المان ها، باندها و اتصال های خود، ارتباط میان اجزای مختلف یک سیستم را تشریح می کند. همچنین می توان با استفاده از روش برنامه ریزی ژنتیک، مدل اولیه یک سیستم را بر اساس نیاز از یک حالت اولیه به حالت نهایی مطلوب توسعه داد. با استفاده از ویژگی جستجوپذیری بالا و مدل سازی شماتیک روش باندگراف، می توان مدل اولیه ی سیستم در دامنه الکتریکی یا مکانیکی را بر اساس خروجی مورد نظر، به یک مدل باندگراف نهایی مدل سازی کرد. مدل اولیه یک سیستم در روش باندگراف، "امبریو" نام دارد و بایستی دارای ورودی، خروجی و المان های اصلی یک سیستم باشد. با تعریف مجموعه ای از توابع عملیاتی در برنامه ریزی ژنتیک، مدل امبریو توسعه داده می شود و مدل نهایی باندگراف در دو حالت تک هدفه و چندهدفه پارتویی به دست می آید. این پژوهش با ادغام دو روش باندگراف و برنامه ریزی ژنتیک، ابزار طراحی مناسبی جهت توسعه یک مدل را در اختیار کاربر قرار می دهد. به منظور بررسی عملکرد روش ارایه شده جهت مدل سازی با باندگراف، ابتدا نتایج آن با نرم افزار 20-sim مقایسه شده و سپس به وسیله آن، دو مدل فیلتر الکتریکی و یک مدل سیستم جرم، فنر و میراگر طراحی می گردد و نتایج با مرجع مقایسه می شود.

    کلیدواژگان: باندگراف، برنامه ریزی ژنتیک، امبریو، چندهدفه، پارتو
|
  • MohammadJavad Kazemzadeh Parsi * Page 1

    In the standard finite element method, the edges of the adjacent elements are aligned to each other, and the corner of an element does not located on the edges of another one. If this constraint is violated it is said that the mesh is non-conforming and the use of such meshes in the finite element method requires specific techniques. In the present paper, a new method is suggested for the use of non-conforming meshes which are generated using quadtree algorithm. Quadtree is a data structure that has a very fast recursive algorithm and can be used to divide a two-dimensional domain into sub-regions or elements. The elements produced by this method are non-conforming and are not usable in the standard finite element method. In general, six types of elements with different arrangement of nodes may be appeared in a quadtree mesh and the conventional methods which are using the polynomials cannot be used to derive the shape functions. In the present paper, a new idea is proposed to obtain the shape functions of such elements. In this method, a boundary value problem is defined and its solution is used as the shape functions of the non-conforming elements. To evaluate the applicability and accuracy of the proposed method, two numerical examples are solved and the results are presented. The results show that the proposed method can be used to effectively apply the non-conforming meshes in the finite element method.

    Keywords: Quadtree meshes, non-conforming meshes, finite element method, shape function
  • Mojtaba Ghasemzadeh Moghadam, Seyed Ali Hashemian * Page 2

    In motorcycle accidents, the acceleration caused by the collision has a huge risk to the health of the motorcyclists and passengers. In this study, the finite element method was used for dynamic analysis of impact mechanics to predict the effect of the shell material and thickness on the head injury criteria of the helmeted head (including head, shell, foam, comfortable foam and strap). The open-face helmet, including three current market materials, were selected. Head orientation, in the most accidents, at the collision moment is oblique. In the simulated impact model, head is also placed obliquely. The results of this study are validated by the experimental results and valid published data. The simulation results show that there is an optimum thickness for the helmet shell regardless of its material. In order to determine the optimum thickness, there must be compromises between the various parameters such as head injury criteria, shell failure, weight, and price. According to the results obtained for the shell thickness, if the thickness increases, the weight and range of acceleration increase while the probability of shell failure decreases. If the thickness decreases, despite of decreasing the acceleration in the head, the stress in the shell increases that leads to failure.

    Keywords: Motorcycle helmet, finite element method, Oblique impact, Head injury criteria, Impact test
  • Farzaneh Ojaghnezhad * Page 3

    Second strain gradient theory (SSGT) is employed to examine the spherical single/double-phase Lame-type problem. Due to the capability of SSGT to capture the effects of surface, size, and discrete nature of materials, the pertinent relaxed configuration is sought. SSGT is written in the spherical coordinate system and the corresponding governing equilibrium equations, stress and strain components, constitutive relations, and boundary tractions are derived. With spherical symmetry consideration of the problem, the relaxed configuration is obtained for both the diamond crystalline carbon and carbon coated crystalline silicon shell. Afterwards, the external symmetric loading is applied on the nanostructure relaxed configuration to analyze the mechanical response. The SSGT elastic material parameters for carbon and silicon are calculated via the quantum computations and lattice dynamics combined with the material continuum description. Analysis shows that the nanostructures mechanical response in SSGT is significantly different from that in the classical elasticity. For example, in the single-phase problem with inner and outer radius equal to two and ten lattice parameter, respectively, under an external pressure of about 0.0001 , the classic elasticity predicts an approximately constant radial stress of about -0.0001 in the nanoshell. However, in the framework of SSGT, the radial stress is varying from about -0.001 and -0.0002 in the vicinity of the inner and outer boundaries, respectively, to about 0.0003 in the middle of the hollow nanoshell. With increasing the inner radius, the difference between the two results in the middle points decreases.

    Keywords: second strain gradient theory, Size effect, surface effect, spherical Lame-type problem, spherical symmetry
  • Mohammadhasan Hajbagheri, AmirReza Shahani * Page 4

    Belows are one of widely used elements in various industries. These elements often contain an internal fluid flow and they are used as length compensator, vibration absorber and sealer. Usually they are under pressure and out of range increasing in pressure can cause buckling of bellows. There are two types of buckling in bellows known as column buckling and in-plain buckling. In this paper first, a comprehensive study was done on analytical solutions of bellows buckling in the literature and then both types of buckling were investigated by using FEM software ABAQUS and the results were compared with the experimental results that had been reported in references. According to the results, although elastic analysis of belows buckling gives correct mode shapes, the buckling pressure obtained by this method is several times as much the experimental one. Then, buckling pressure is computed by applying imperfection according to the primary buckling mode shapes and nonlinear analysis was done by the use of pressure-displacement curve. Finally, necessary number of buckling mode shapes applied as imperfection and the amount of the mode shape amplitude required were investigated by comparing the results with the experimental one, and good agreement between FEM and experimental results was obtained.

    Keywords: Bellows, Nonlinear buckling, FEM, Imperfection
  • Elham Alizadeh, Mehdi Dehestani *, Philippe Zysset Page 5

    Bone is a mineralized biological tissue whose main components are enormously different from the mechanical aspect. Some of bone diseases like osteoporosis are due to mutations in bone structure at nano scale, while their clinical symptoms usually appear at macro scale. Therefore, the evaluation of bone at micro and nano scales is important and the obtained results could be used in fabricating the implant materials, scaffolds and bone grafting. In current study, the finite element modeling is performed to evaluate the mechanical properties and structural behavior of bone at nano scale and cohesive element with different mechanical properties is applied. After its verification, the stress distribution and elastic properties are compared with analytical Shear- Lag model. Limited studies are available on strain ratio in previous research and it is presented for different cohesive elements in current study. The influence of mineral volume fraction and mechanical properties of collagen is investigated. The comparison between FE models and the other ones demonstrate an excellent agreement. The collagen- HA interface with unknown mechanical properties is the most important parameter in mineralized collagen fibril and by analyzing different parameters in current research, the thick layer of water with Van der Waals interaction and Viscous shear is determined as the most probable cohesive layer. The result of parametric studies indicates the significant effect of non linear collagen on the model behavior. In order to decrease the cost of investigation in 3D models, the proposed unit cell with periodic boundary conditions could be employed.

    Keywords: Bone, Nano, cohesive element, Shear- Lag model, finite element
  • Ali Mahmoodian, Mohamad Durali *, Mahmud Saadat Page 6

    The acceptable preformance of the data driven prognostics methods usually requires large amount of data, therefore the performance usually is not desirable for small amount of data conditions. Age clustering method multiplies the volume of the train data through observing data at multiple points. The advantage of the method is that it can be used for learning from a small set of data. The proposed approach is integratable with existing prediction methods and improves their results accuracy significantly. In this article, the ABC prognosis framework is described, its effectiveness for prognosis in normal conditions is illustrated in a case study on turbofan engines and a comparison with existing results on the same data is made. The paper continues with a study on the robustness of the proposed method under limited data conditions. The prognosis accuracy is compared for the case study in various conditions of available train data. The results emphasize (1) the efficiency of the method compared to other existing approaches in normally rich data condition and (2) the robustness of the results under limited data condition.

    Keywords: Prognosis, health management, Remaining useful life estimation, Robustness, Limited data
  • Omid Safari, MohammadReza Zakerzadeh, Mostafa Baghani * Page 7

    In recent years demand for mobile electrical power has been increased and due to this application, energy harvester systems have been developed to convert mechanical energy into suitable electrical energy using smart materials. In this investigation, a novel arrangement of a new energy harvester using Magnetic Shape Memory Alloys (MSMAs) is developed. Elements of MSMA are attached to a corrugated beam and their roots are fixed to the base support. The reason of using the corrugated beam is to increase the stiffness of the structure in less thickness and also to increase the effective strain field in MSMA elements. This feature reduces the length of the system and the occupied volume. The way of harvesting energy from this system is based on conversion of vibrational energy to the magnetic flux gradient. That is to say; there is a number of copper coils that wrapped around the MSMA elements in a constant magnetic field. If strain or stress field is applied to the MSMA elements, some variants in specific direction are changed and as a result, the electrical current is induced to the coils. The AC voltage is produced as a result of change in magnetic flux of the surrounding coil according to Faraday’s Law. The problem is studied with simulations in Abaqus using UMAT code for modeling behaviour of MSMA elements. Also, to simulate the material properties of MSMA substance, Kiefer and Lagoudas nonlinear model is used. It will be shown the effect of various parameter on output voltage value.

    Keywords: Magnetic Shape Memory Alloys, Energy harvester, Corrugated beam, Vibration, finite element
  • Mohammad Parhizkar Yaghoobi, Mahdi Ghannad * Page 8

    Sensors and actuators have a special place in today's science and industry world. Therefore, electromechanical analysis of piezoelectric materials is one of the topics of interest for researchers so that besides understanding the behavior of piezoelectric structures by optimizing this behavior, they could pave the road of designing and producing structures. In this study, using the first-order shear deformation theory, the first-order electrical potential theory and the application of the energy method, the governing equations are extracted for thick cylinders subjected to mechanical and electrical loading at their internal and external surfaces under various boundary conditions in two cylinder’s heads. Then an analytical solution is presented for the governing equations and using this solution, the results of electromechanical behavior of the cylinders under different boundary conditions in two cylinder’s heads are estimated and evaluated, and compared with the finite element method (FEM) results. The analytical solution in this research is not a series solution, and there is no need to investigate the convergence and also, it is of less computational volume. The obtained results from the analytical method and FEM have a good agreement, which showed the presented analytical solution can be used with higher accuracy.

    Keywords: Thick cylinder, Piezoelectric, Shear deformation theory, First-Order Electrical Potential theory
  • Hassan Amini *, Parvin Gholizadeh, Esmaeil Poursaeidi Page 9

    The existence of defects and residual stresses in the multilayer coatings could reduce their crack resistance. By using the method of molecular dynamics (MD) simulation, the crack propagation behavior in deposited Ti/TiN bilayer is compared with its perfect structure. For this purpose, TiN was deposited on Ti substrate, then crack growth was investigated in the two structures. The growth of TiN film on Ti was island growth, and the structure has defects and residual stress. The results showed that both the biaxial and normal residual stresses in the substrate and film are tensile and compression, respectively. The cohesive energy of the interface was calculated by energy difference along the atomic layers. In the following, a crack was considered perpendicular to the Ti/TiN interface in both models, with an initial length of 15 Å. Due to the brittle behavior of the ceramic layer, crack propagates rapidly until interface. The plastic deformation of the Ti layer and the structure of the interface blunt the tip of the crack and prevents to fail. Also, the critical stress for crack growth in a regular structure is found to 2.5 times of its value in the layered structure because of defects and tension in the layered structure

    Keywords: Multilayer coating, Molecular dynamics, deposition, crack growth
  • AliAsghar Yaldaei, Hossein Rahmani *, Faramarz Sarhaddi, MohammadReza Salehi Kolahi Page 10

    Regarding the necessity of obtaining high-quality resonators in micro electromechanical systems (MEMS), recognizing and investigating the parameters that effect on the quality factor are essential and inevitable. In micro electromechanical systems, microplates are used as resonators and RF filters and so on. In this paper, the effect of thermoelastic damping, which is one of the most important factors affecting the quality factor, has been investigated for rectangular microplates. Galerkin method has been used to simplify and solve the governing equations. The result is a nonlinear algebraic expression for the quality factors of microplates of general conditions due to thermoelastic damping. Unlike previous researches, the proposed model can directly calculate the quality factor. COMSOL Multiphysics software is used for finite element simulation. After verification of the proposed model, the effect of various parameters is investigated. The proposed model can also be used to calculate the pull-in instability voltage. The results of current paper can be used to design micro electro mechanical systems (MEMS) and another applications can be defined for that.

    Keywords: MEMS, microplate, quality factor, Thermoelastic damping
  • Gholamhasan Payganeh *, Keramat Malekzadeh Fard, Fahimeh Rashed Saghavaz Page 11

    Aerial structures under non-conservative forces especially follower loads, may be exposed to dynamic or static instabilities. Thus, it is essential to design these structures so that it would prevent this phenomenon. In this paper, for the first time, dynamic instability of a thick sandwich beam with FGM flexible core under follower force is considered using high-order theory of sandwich beams. Sandwich beam is considered as a linear elastic structure with small rotations and deformations. Equations of Motion of high-order sandwich beams under follower force, are derived using Hamilton’s principle. The Beam fluttering phenomenon is investigated by applying boundary conditions and using a generalized differential quadrature method. in addition to verification of results, effects of the beam’s geometry and mechanical parameters have been studied. These results revealed that threshold flutter force of the sandwich beam is similar to Timoshenko one.

    Keywords: Pneumatic structures, sandwich structures, Dynamic instability, numerical solution method, FGM core
  • Laleh Fatahi *, Alireza Alipoor Page 12

    Combustion chambers are one of the main parts of the power generation systems such as gas turbines and internal combustion engines and affect their efficiency and environmental pollutions. To reduce the high amount of the pollutions e.g. NOx, lean premixed combustion was introduced to be used instead of traditional non-premixed flames, however, this method has more tendency to become unstable. In fact, the thermal and acoustics interactions in the combustion chambers can amplify the acoustic waves and thereby produce noise and increase the vibration level of the liner. The continuation of large amplitude vibrations can lead to failure due to fatigue. Therefore, the vibration modeling of the liner is very important. In the present research, the vibration of a liner in a laboratory combustion chamber is investigated. First step to model the vibration of the liner is to extract its modal parameters in the cold and hot states. Finite element (FE) model updating is utilized to modify the initial FE model of the liner based on the experimental modal parameters. Then, using the computational fluid dynamics (CFD), the flow analysis is performed to obtain the pressure and velocity fluctuations during the analysis time. These data are then used to model the flame as a monopole acoustic source. To find the structural response of the liner due to this acoustic source, the transient analysis is performed. The results show the effectiveness of the updated FE model to predict the modal parameters and the vibration amplitude of the liner with acceptable accuracy.

    Keywords: Vibration, Combustion chamber, Fluid-Structure Interaction, numerical simulation
  • Ehsan Selahi *, AliReza Setoodeh, Masoud Tahani Page 13

    In this paper an efficient and accurate solution method is developed for transient analysis and free vibration of functionally graded truncated conical shell, subjected to symmetric internal or external moving pressure. The material properties of the shell are graded continuously in the radial direction according to a Mori-Tanaka and volume fraction power-law distribution. A hybrid solution method composed of the layerwise theory, differential quadrature method, and Fourier series expansion is employed to investigate the aforementioned problem. A Fourier series expansion is used for the displacement components and dynamic pressure in the axial direction. Then the layerwise theory across the thickness direction in conjunction with the Hamilton’s principle is employed to obtain equations of motion and boundary conditions. Eventually, the differential quadrature method is implemented to discretize the governing equations in the time domain. This research shows some interesting results that can be helpful for design of functionally graded shells subjected to moving pressure. The developed results are successfully compared with the available results in the literature. The convergence study demonstrate the fast convergence rate with relatively low computational cost. The results reveal that a free vibration with significant amplitude is generated due to excitation from transition of the moving pressure. Also increasing the area of moving pressure in the case of constant load magnitude leads to reducing in the magnitudes of displacements and stresses components.

    Keywords: Functionally graded materials, Conical shell, Moving pressure, Differential quadrature method, Layerwise theory
  • Saeed Khankalantary, Mohsen Hajizadeh, Azem Heidari, Hasan Mohammadkhani * Page 14

    Control of impact time of missile to target has a great importance in applications such as Cooperative Attack of Multiple Missiles or Anti-Ship Missiles. This paper presents sliding mode control based guidance law against maneuvering targets with impact time constraints. Using nonlinear engagement dynamics, appropriate switching surface has been selected and sliding mode control has been designed using Lyapunov stability theorem. The sliding surface has been selected such that both the line of sight range and the error of the time remaining to target become zero to guarantee impacting the target at the desired time . By considering the non linear dynamic equations of maneuvering target , the proposed method can achieve the desired impact time against maneuvering target . In the proposed method , there is no need to consider small impact angle and non maneuvering target . Using the simulation model, the effectiveness of the proposed method in different scenarios (static and maneuvering) and taking into account different times for the impact time and its efficiency and its superiority as compared to other methods is shown.

    Keywords: sliding mode control, impact time, Guidance law, Maneuvering target
  • AliAsghar Jafari *, Masoud Golzari Page 15

    A theoretical model is proposed to study the sound transmission loss of a truncated conical shell with porous layer. The isotropic thin-walled conical shell is excited by an oblique incident plane sound wave, which impinges on the outer surface of the shell. The governing equations of the shell motion are obtained by Love’s theory, and a convergent power series solution is applied to obtain the exact dynamic response of the shell. An equivalent fluid model based on Biot’s theory is considered to describe the wave propagation in the porous material. The model results are firstly validated against the results of prior studies. Then, the effects of several design parameters such as different boundary conditions at the ends of the shell, cone angle, incident sound wave angle and material properties of the shell are studied on the characteristics of the sound transmission loss. The proposed model can provide an effective tool in the acoustic design stage of the truncated conical shells. In addition, the transmission loss is obtained in the presence of the porous layer with two different configurations. The results generally show desirable performance of the porous layer in the sound insulation ability.

    Keywords: Sound Transmission Loss, Truncated conical shell, Porous materials, Plane sound wave
  • Salman Ahmadi, Rambod Rastegari * Page 16

    Object grasping by robot fingers with purely rolling constraints is one of the most interesting issues under consideration by many researchers. In earlier studies, the main goal was the manipulation of object under purely rolling constraints to reach the final stable configuration. In this paper, in addition to deriving kinematic and dynamic equations of the system dual fingers robot and grasping semi-circular object located on a moving hand on the plane with rigid hemi-spherical fingertips under pure rolling constrained, we investigate object manipulation on desired path maintaining dynamics stability. Modified multiple impedance control is used for object manipulation and robot fingers by considering the required reforms in this control law. In this method multiple impedance control is performed by applying the desired behavior of the entire system, including moving base, fingers and object, and dynamics stability condition is satisfied. In this way power adjustment and that these forces arrive in the right place largely effective in minimizing slip is the fingers on the surface object. The results of simulations show the eligible object manipulation and dynamics stability by robot fingers and moving base under pure rolling grasp.

    Keywords: Dual fingers Grasp, stability, Object Manipulation, Finger tips, Multiple Impedance Control
  • Sina Namdari, Saeed Rezapour Khaneghah, MohammadAli Hamed * Page 17

    Vehicle stability control is one of the most important subjects in control engineering field. Many research activities have been done to develop more comfort and safe travel for passengers. In this paper, vehicle mixed stability in longitudinal and lateral motion has been investigated. Full model of vehicle (4 wheel) is considered to extract the dynamic equations. Dugoff’s nonlinear model has been used to simulate the behavior of tyres and road, and Cho’s engine model with two state variables has been used for vehicle power system simulation, so it makes the input torque to wheels to be more realistic. Because of the good robustness properties of sliding mode control the second order sliding mode with super-twisting algorithm has been used for calculation of control inputs. This method is proved to be so appropriate and useful in the case of uncertainty in complicated vehicle dynamic model and multiple disturbances in vehicle motion. Engine throttle angle and yaw moment have been considered as longitudinal system and lateral system control inputs respectively. Longitudinal slip coefficient and yaw rate are considered as system output. Simulation results shows the effectiveness of the proposed method.

    Keywords: Vehicle stability, Mixed longitudinal, lateral stability, Dugoff tyre model, Cho motor model, Super-twisting algorithm
  • M. Navabi *, Hamed Ghafari Page 18

    In this paper, limitation in actuator capacity has been used as a key role in the design of the flight control system. In order to guarantee the performance and stability of flight control systems in the presence of saturation, in flying high angle of attack area, the development of linear matrix inequality, optimization techniques, and numerical methods are proposed, and the integration of these methods with saturated controllers is introduced. Also, in this paper, the combination of two anti-windup method and direct saturation method in the tracking problem of flight path angle is discussed. For this purpose, the nonlinear model of the aircraft is modeled, moreover the linear model is obtained at the trim operation condition. Then the controller is designed to track maneuver flight path angle regardless of saturation. In the following, considering the maximum disturbance involved in aircraft maneuvering, a safe controller that guarantees performance and stability is designed, and gain scheduling technique to prevent conservatism in the use of controllers is employed. The results of the nonlinear and linear model of the aircraft are presented in tracking the flight path angle at high angle of attack with consideration of control and saturation constraints in unstable operation condition. Simulation results, indicating the improvement of the mentioned control method for an unstable aircraft.

    Keywords: Control, saturation constraint, LMI, Aircraft, Gain scheduling, Anti-Windup controller
  • Seyed Davood Nikkhoe Tanha, Moharam Habibnejad Korayem *, Siavash Fathollahi Dehkordi Page 19

    The main objective of this paper is to design a fuzzy control system for path planning and controlling mobile robots in a social environment with moving obstacles. The control system, with the target position given at any moment, produces the appropriate path to reach the target without encountering obstacles. It is assumed that there are fixed and moving obstacles, including humans, in the social environment. Also, the robot moves in such a way that the emotions of the individual are considered and do not cause fear or change in the behavior of people. Robot kinematic model and obstacles are considered to reduce the computational volume and simplicity of implementation. After performing various simulations, in order to validate the proposed method, the designed control system is implemented on the Scott laboratory robot. For performing the presented algorithm, the graphical interface designed by Matlab software, the compass module added to the existed system. Finally, the results obtained from the simulation and the laboratory system are evaluated and compared for predefined path and obstacles.

    Keywords: fuzzy control, Mobile Social robot, smart routing, Variable control purpose with time, Graphical interface
  • Behzad Bahrami Joo, Ali Jamali *, Nader Nariman Zadeh Page 20

    Integrated modeling of multi-domain physical systems requires a common language. One of the methods which has been used to do so, is called bond graph. The bond graph provides a common and core language for describing basic elements and connections across different fields by using its elements, bonds and junctions. Also, by using genetic programming as an evolutionary method, an initial model can be evolved into a final model. The initial model of a system in bond graph called “Embryo” and must have input, output and basic elements of the desired model. By defining a series of operational functions in genetic programming, an embryo model evolves and a final model obtained in one objective and multi-objective approaches. The current research presents an optimized design tool by integration of bond graph and a Pareto multi-objective genetic programming for guiding automated topology synthesis. In order to evaluate the performance of the proposed method, obtained results were first compared to the 20-sim software and then two models of electric filter and a mass, spring and damper system compared to the reference.

    Keywords: Bond graph, Genetic Programming, Embryo, Multi-objective, Pareto