فهرست مطالب

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

  • تاریخ انتشار: 1400/02/13
  • تعداد عناوین: 20
|
  • حسین میرزایی نژاد*، علی محمد شافعی صفحه 1

    مدل سازی و کنترل مسیر ربات های سیار در ردیابی مسیر، یکی از مباحث مطرح در رباتیک است. در این مقاله ابتدا، مدل سینماتیکی و دینامیکی یک بازوی مکانیکی با مفاصل دورانی-کشویی که روی یک پایه سیار با چرخ های غیرهولونومیکی قرار دارد، به روش گیبس-اپل ارایه شده است. در واقع، مزیت استفاده از این روش دینامیکی این است که می توان از مشکلات ضرایب لاگرانژ که از قیود غیرهولونومیک ناشی می شوند، رهایی یافت. سپس از روش کنترل پیش بین غیرخطی برای پیدا کردن قوانین کنترل سینماتیکی و دینامیکی برای ردیابی مسیر مرجع استفاده شده است. اساس این روش، پیش بینی پاسخ های مدل غیرخطی ربات در بازه زمان پیش بین با استفاده از بسط سری تیلور می باشد. قوانین کنترلی بهینه بر اساس کمینه کردن اختلاف بین پاسخ های مطلوب و پیش بینی شده خروجی های سیستم به صورت تحلیلی توسعه داده می شوند. قوانین کنترلی استخراج شده منجر به خطی سازی فیدبک خواهند شد. کنترل کننده سینماتیک چند متغیره سرعت های زاویه ای و خطی مطلوب پایه سیار و بازوهای مکانیکی را به دست می آورد. سپس، سرعت های مطلوب به دست آمده از کنترل کننده سینماتیکی به عنوان مقادیر مطلوب برای طراحی کنترل کننده دینامیکی مورد استفاده قرار می گیرد. در پایان، نتایج حاصل از شبیه سازی عددی به منظور تاکید بر توانایی روش ارایه شده در مدلسازی ریاضی و کنترل ردیابی مسیر همزمان پایه سیار و مجری نهایی نشان داده شده است.

    کلیدواژگان: روش گیبس-اپل، قید غیرهولونومیک، مفاصل دورانی-کشویی، کنترل پیش بین، ردیابی مسیر
  • سپیده اکبری، حامد غفاری راد*، محمد زارعی نژاد صفحه 2

    در این مقاله مدل سازی سینماتیکی یک ربات نرم نیوماتیکی، شامل ترکیب موازی سه عملگر نرم، با قابلیت موقعیت دهی فضایی مورد بررسی قرار گرفته است. روش پیشنهادی بررسی سینماتیک ربات در این پژوهش، برخلاف مدل های پیشین، با فیزیک ربات نرم همخوانی داشته و ایده ی اصلی آن، مدل کردن شکل و حرکت ربات نرم با ربات های صلب سری است که شکل و حرکت مشابهی ایجاد نماید. مدل سینماتیکی ارایه شده شامل حالات مستقیم و معکوس بوده و از روش های دقیق هندسی بهره می برد. همچنین، ژاکوبین سرعت مجری نهایی ربات نرم با دو روش مختلف، مبتنی بر اصول ربات های سری، استخراج گردیده است. در ادامه، فضای کاری ربات با توجه به قیود سینماتیکی، مشخص و شکل ربات در آن فضا تعیین گردید. صحه گذاری مدلسازی جدید ارایه شده، توسط شبیه سازی المان محدود و همچنین آزمایش-های تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج شبیه سازی المان محدود نشان دهنده ی حداکثر 6/1 درصد خطا برای مدل سینماتیک معکوس پیشنهاد شده می باشد. همچنین نتایج آزمایش تجربی، بیانگر حداکثر 13 درصد خطا -با توجه به خطاهای ناشی از ساخت و تاثیرات جاذبه- برای مدل سینماتیک مستقیم است. نتایج نشان می دهد مدل جدید ارایه شده با توجه به ساده سازی ساختاری بر مبنای ربات های سری، دارای دقت مناسب برای استفاده در مدلسازی حرکتی و در ادامه کنترل ربات را خواهد داشت.

    کلیدواژگان: عملگر نرم نیوماتیکی، مدلسازی سینماتیکی، انحنا ثابت، سینماتیک سرعت، فضای کاری
  • حسین چهاردولی*، علی قاسمی، سپهر فردرهنما صفحه 3

    کوادروتور یک ربات پرنده بدون سرنشین از دسته پهپادهای چند-ملخه است که قابلیت مانورپذیری بسیار بالا، نشست و برخاست عمودی و پرواز ساکن در هوا را دارد. با این حال، دینامیک غیرخطی و زیر تحریک کوادروتور نیازمند کنترل کننده های پیشرفته تری برای غلبه بر اغتشاش های خارجی، حفظ تعادل و ردیابی دقیق مسیر پرواز است. در اغلب کاربردها، سیستم دینامیکی کوادروتور در معرض نیروهای اغتشاشی ناشی از وزش باد و نامتوازنی وزن یا اینرسی ناشی از حمل بار است. برای حفظ تعادل و تثبیت موقعیت، پایدارسازی زاویه ای کوادروتور در حضور نیروهای اغتشاشی و نامتوازنی ها ضروری است. استفاده از کنترل کننده های سنتی با بهره های کنترلی ثابت برای حذف اغتشاش های متغیری که در شرایط متفاوت به سیستم دینامیکی کوادروتور وارد می شوند چندان کارآمد نیست. در مقاله حاضر یک کنترل کننده فازی تطبیقی تناسبی-انتگرالی-مشتقی برای پایدارسازی زاویه ای کوادروتور طراحی شده که در آن بهره های کنترلی بر مبنای عملکرد قانون تطبیق و سیستم فازی به طور پیوسته تنظیم می شوند. عملکرد کنترل کننده طراحی شده در شبیه سازی یک آزمون غلبه بر نامتوازنی وزنی بررسی و با کنترل کننده سنتی تناسبی-انتگرالی-مشتقی مقایسه شده است. همچنین عملکرد کنترل-کننده طراحی شده با استفاده از یک استند آزمایشگاهی سه درجه آزادی در یک آزمون تجربی به روش سخت افزار در حلقه صحه سنجی شده است.

    کلیدواژگان: کوادروتور، کنترل وضعیت، کنترل کننده فازی تطبیقی تناسبی-انتگرالی-مشتقی، سخت افزار در حلقه
  • علی کیماسی خلجی*، ایمان سعادت صفحه 4

    در این مقاله، با معرفی یک کنترلر ترکیبی مقاوم به همراه یک واحد اجتناب از موانع مبتنی بر توابع پتانسیل به کنترل تعقیب مسیر کوادروتور در حضور موانع پرداخته شده است. کوادروتورها، سیستم هایی کم عملگر بوده و طراحی کنترلر تعقیب مسیر مقاوم برای آن ها به یکی از پرچالش ترین مباحث در پژوهش های اخیر تبدیل شده است. در ابتدا مدلسازی دینامیکی کوادروتور با استفاده از روش نیوتن-اویلر و با در نظر گرفتن تمامی ترم های غیرخطی آن در نظر گرفته شده و در ادامه، فضای حالت سیستم به دست آمده است. سپس یک روش کنترلی با الهام از الگوریتم های کنترل خطی برای کنترل حلقه ی بیرونی طراحی شده و برای کنترل حلقه ی داخلی کنترلر، روش کنترلی پسگام ارایه شده است. ترکیب این دو روش کنترلی به نحوی صورت گرفته که سیستم بهترین عملکرد را در تعقیب مسیرهای دلخواه از نظر همگرایی به مسیر مرجع حرکت، خطای حالت ماندگار کمینه و دیگر مشخصات پاسخ گذرای سیستم داشته باشد. در ادامه یک واحد اجتناب از موانع مبتنی بر توابع پتانسیل طراحی شده که با ایجاد نیروی دافعه بین سیستم و موانع از تصادم کوادروتور جلوگیری می کند. در انتها دو آزمایش ردیابی مسیر دایره ای و زینی شکل برای یک کوادروتور در حضور موانع در نظر گرفته شده است و نتایج حاصله، عملکرد مقاوم کنترلر را در تعقیب مسیرها و اجتناب از موانع نشان می دهد.

    کلیدواژگان: کوادروتور، روش کنترلی پسگام، واحد اجتناب از موانع، توابع پتانسیل، کنترل تعقیب مسیر
  • مصطفی نصیری* صفحه 5

    شبیه سازی سخت افزار در حلقه (HIL) می تواند سخت افزار کنترل کننده یک سیستم کنترل حلقه بسته را به صورت واقعی در کنار شبیه سازی نرم افزاری بقیه اجزای سیستم، تست و ارزیابی نماید. در این مقاله به شبیه سازی سخت افزار در حلقه سیستم کنترل زاویه پیچ (PAH) یک هواپیمای بدون سرنشین پرداخته می شود. این سیستم شامل یک کامپیوتر برای شبیه سازی زمان- واقعی پرواز و سخت افزار PC/104 به عنوان سیستم کنترل پرواز می باشد که با پروتکل ارتباط شبکه UDP به هم متصل شده اند. تاخیر زمانی ناشی از اتصال کامپیوتر شبیه سازی پرواز و سخت افزار کنترل کننده در سیستم کنترل حلقه بسته می تواند باعث کاهش عملکرد سیستم و یا حتی ناپایداری شود. برای جبران سازی و یا کاهش اثر تاخیر زمانی در عملکرد سیستم، از روش پیش بینی چندجمله ای استفاده شده است. روش پیش بینی چندجمله ای می تواند با در نظر گرفتن میزان تاخیر زمانی و پیش بینی سیگنال کنترلی زاویه الویتور با استفاده از یک چندجمله ای و استفاده از نقاط قبلی در سیگنال کنترلی، اثر تاخیر زمانی را کاهش دهد. با استفاده از این روش پیش بینی، نتایج شبیه سازی سخت افزار در حلقه با نتایج شبیه-سازی کامپیوتری بدون تاخیر زمانی مقایسه گردیده است. نتایج حاصل از شبیه سازی سخت افزار در حلقه بیانگر عملکرد مناسب پیش بینی کننده چندجمله ای در جبران اثر تاخیر زمانی ایجاد شده می باشد. همچنین عدم قطعیت در مدل هواپیما که ناشی از مشتقات پایداری و کنترل است در تاخیر زمانی بحرانی، مورد بررسی قرار گرفته است.

    کلیدواژگان: شبیه سازی سخت افزار در حلقه تحت شبکه، سیستم کنترل پرواز، تاخیر زمانی، عدم قطعیت، پیش بینی چندجمله ای
  • فاطمه رحیمی، یوسف بازرگان لاری* صفحه 6

    ویروس درمانی آنکولیتیک یک استراتژی نوید دهنده جدید علیه سرطان است. ویروس های آنکولیتیک می توانند در سلول های سرطانی و نه در سلول های طبیعی تکثیر شوند، که منجر به لیز توده تومور می شود. به علاوه، ویروس های آنکویتیک می توانند سیستم ایمنی را تحریک کنند. از آنجا که ویروس درمانی سرطان یک سرایت ویروسی را اعمال می کند، دینامیک پیچیده آن باید با استفاده از یک مدل ریاضی برای شناسایی سازنده ترین روش درمان، تحلیل شود. حین ویروس درمانی، یک تاخیر زمانی از زمانی که سرایت ویروسی اولیه در سلول تومور اتفاق افتاده تا زمانی که این سلول های آلوده به مرحله ای برسند که قادر به آلوده کردن سایر سلول های تومور باشند، وجود دارد. دانستن تاثیر این تاخیر بر ویروس درمانی سرطان مهم است. بدین منظور یک مدل ریاضی برای شناخت این تاخیر معرفی شده است. برای تحلیل اثرات تاخیر در ویروس درمانی، مدل با افزودن دو کنترل ویروس درمانی و ایمن درمانی بازسازی شد. در نهایت، با استفاده از شبیه سازی عددی، برای نخستین بار طراحی و استفاده از یک کنترل کننده PDC فازی انجام شد. نتایج عددی نشان داد با اعمال کنترل مناسب، با گذشت زمان، کاهش جمعیت سلول های توموری به زیر 10 درصد رخ می دهد. همچنین مشاهده می شود استفاده از معیار پایداری مستقل از تاخیر برای طراحی کنترل کننده PDC حساسیت پاسخ سیستم به افزایش تاخیر زمانی را تا حد قابل قبولی کاهش داده است. از آنجا که سیستم مورد مطالعه فقط در یکی از مراجع معرفی و تنها کنترل کننده بهینه بر آن اعمال شده است، مقایسه صورت گرفته، برتری و قدرت کنترل کننده PDC فازی طراحی شده را نشان می دهد.

    کلیدواژگان: سرطان، ویروس درمانی، تاخیر زمانی، کنترل، نامساوی ماتریسی خطی
  • مرضیه نوروزی، فیروز بختیاری نژاد* صفحه 7

    دینامیک غیر خطی و رفتارهای ارتعاشی یک صفحه ی ذوزنقه ای یکسرگیردار، با یک لایه ی نانوکامپوزیت و دو لایه پیزوالکتریک که در بالا و پایین آن متصل هستند، مورد بررسی این مقاله قرار گرفته است. این صفحه که به عنوان یک عملگر در ریز پرنده ها مورد استفاده قرار می گیرد، در معرض جریان مادون صوت بوده که با کمک نظریه جریان پتانسیل خطی مدل گردیده و همچنین تحت تحریک های الکتریکی و نیروی خارجی قرار دارد. لایه میانی صفحه توسط نانو لوله های کربنی که به صورت یکنواختی در سرتاسر ضخامت صفحه توزیع شده اند، تقویت شده است. معادلات غیر خطی صفحه بر اساس نظریه صفحات کلاسیک و جابجایی های بزرگ ون کارمن و با کمک اصل همیلتوند استخراج شده و طی یک نگاشت، هندسه ی صفحه ذوزنقه ای از حوزه فیزیکی به حوزه محاسباتی مستطیلی انتقال می یابد. معادلات دیفرانسیل غیر خطی با مشتقات جزیی صفحه مورد نظر با استفاده از روش گلرکین به صورت معادلات دیفرانسیل با دو درجه آزادی و جزء های غیر خطی مرتبه سه استخراج می شود. تشدید اولیه و تشدید داخلی 1:3 در نظر گرفته شد و معادلات با بکارگیری روش مقیاس های چندگانه حل گردیدند. در ادامه منحنی های پاسخ فرکانسی و زمانی بدست آورده شد و اثرات پارامتر های مختلف مانند فشار آیرودینامیک، دامنه ی بار های عرضی و ولتاژ الکتریکی بر ارتعاشات غیر خطی صفحه نازک مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به نتایج بدست آمده در منحنی پاسخ فرکانسی، رفتار نرم شوندگی غیرخطی پیچیده ای با دو قله در مد بالاتر مشاهده می شود.

    کلیدواژگان: عملگر ذوزنقه ای، تحریک همزمان خارجی و پارامتریک، تشدید داخلی، جریان مادون صوت، روش مقیاس های چندگانه
  • محمدرضا اقبالی، سید امیرحسین حسینی*، امید رحمانی صفحه 8

    در این مقاله هدف ، مطالعه ارتعاشات آزاد طولی یک نانو تیر مدرج هدفمند به همراه جرم متمرکز براساس تیوری غیر موضعی گرادیان کرنشی با استفاده از روش عددی توسعه تقریبی می باشد . به دلیل ابعاد کوچک سازه و رفتار وابسته به اندازه آن و عدم توانایی تیوری های کلاسیک در پیش بینی رفتارهای مکانیکی وابسته به اندازه، از تیوری های غیرکلاسیک استفاده گردیده است. معادلات حاکم و روابط شرایط مرزی با استفاده از اصل همیلتون استخراج گردیده و برای نانو تیر مدرج هدفمند با پنج شرط مرزی لولا لولا ، گیردار آزاد ، گیردار گیردار ، گیردار لولا و گیردار جرم متمرکز ارایه شده است. سپس ، معادله دیفرانسیل به صورت تحلیلی حل گردیده است تا معادله های فرکانس برای پنج شرط مرزی به دست آیند. در ادامه با استفاده از روش عددی توسعه تقریبی و با حل مرتبه صفر و مرتبه یک، فرکانس های بی بعد استخراج گردیده است. مزایای استفاده از این روش عدم روابط پیچیده ریاضی و زمان اجرا مناسب در کدنویسی می باشد. در نهایت تاثیر پارامترهایی مانند پارامتر غیر موضعی ، مقیاس طول ماده ، تاثیر نوع تغییر ماده و نسبت طول به ضخامت بر روی ارتعاشات آزاد نانو تیر بررسی شده است.

    کلیدواژگان: نانو تیر، تئوری گرادیان کرنشی غیرمحلی، ماده مدرج هدفمند طولی، فرکانس های طبیعی، روش توسعه تقریبی
  • علی بخششی، حسین مهبادی* صفحه 9

    پارامتر مقیاس طول به عنوان یک فاکتور اساسی نقش مهمی در تقریب مقادیر فرکانس طبیعی میکروساختارها ایفا می کند. در این پژوهش با استفاده از پارامترهای مقیاس طول دقیق که اخیرا توسط پژوهشگران در مقیاس آزمایشگاهی اندازه گیری شده است، فرکانس های طبیعی میکرو ورق های متخلخل محاسبه شده است. با توجه به اینکه ثابت فرض نمودن پارامتر مقیاس طول باعث انحراف مقادیر فرکانس طبیعی از مقدار دقیق آن می شود، در این تحقیق مقادیر پارامتر مقیاس طول، تابعی از جنس ماده و ضخامت ورق در نظر گرفته شده است. به منظور مدلسازی ساختار مختلخل ورق، از مدل های تخلخل پیشنهادی شامل مدل تخلخل یکنواخت، مدل تخلخل غیریکنواخت متقارن و مدل تخلخل غیریکنواخت نامتقارن استفاده شده است. میکرو ورق نازک در نظر گرفته شده و میدان جابجایی بر اساس فرضیات صفحات نازک در نظر گرفته شده است. برای تقریب رفتار ورق در ساختار میکرو، مدل غیرکلاسیک تنش کوپل اصلاح شده بکار گرفته شده است. توابع حدس به فرم چند جمله ای برای ارضا شرایط مرزی مختلف ارایه شده است. حل معادلات پس از محاسبه مقادیر انرژی سیستم به روش عددی رایلی-ریتز انجام گرفته است، و پس از بررسی صحت روند حل انجام شده به وسیله اعتبار سنجی نتایج با مراجع معتبر، تاثیر پارامترهای مختلف ورق در قالب جداول و منحنی بر فرکانس طبیعی سازه مورد ارزیابی قرار گرفته است.

    کلیدواژگان: میکرو ورق مستطیلی متخلخل، تئوری تنش کوپل اصلاح شده، پارامتر مقیاس طول
  • علی فروغی، مهران صفرپور، اکبر علی بیگلو* صفحه 10

    برای اولین بار، در این مقاله ارتعاشات و پایداری تیرهای رایلی متحرک مدرج محوری باهدف بهبود کارایی سیستم های متحرک عبوری مطالعه شده است. همچنین، یک مطالعه مقایسه ای مفصل برای روشن کردن اثر پارامترهای مختلف مانند درجه بندی محوری مواد و اینرسی دورانی بر مرزهای پایداری تیرهای رایلی و اویلر-برنولی انجام شده است. فرض شده است که مشخصات مادی سیستم به طور پیوسته در راستای طولی به صورت خطی یا نمایی تغییر می کنند. روش گسسته سازی گالرکین و همچنین مسئله مقدار ویژه به کار برده شده اند تا فرکانس های طبیعی، پیکربندی دینامیکی، آستانه های ناپایداری فلاتر و دایورژانس سیستم محاسبه شوند. همچنین روابط تحلیلی برای سرعت بحرانی سیستم به دست آمده اند. نقشه های پایداری و کانتورهای سرعت بحرانی برحسب توزیع های مختلف مورد آزمون قرار گفته اند. ضمنا نشان داده شد که در حالت چگالی و مدول الاستیک متغیر، به ترتیب تغییرات نمایی و خطی منجر به سیستم پایدارتر می شوند. همچنین نتایج نشان دادند که کاهش پارامتر گرادیان چگالی و یا افزایش پارامتر گرادیان مدول الاستیک، فرکانس طبیعی سیستم را افزایش می دهد و محدوده های پایداری را گسترش می دهد، بنابراین تغییرات پارامترهای گرادیان چگالی و مدول الاستیک، نقش های متضاد در رفتار دینامیکی سیستم دارند. نتایج پژوهش حاضر برای طراحی و بهینه سازی سازه های متحرک محوری غیرهمگن سرعت بالا می تواند مفید باشد.

    کلیدواژگان: مواد مدرج محوری، پارامتر گرادیان، تیر متحرک، سرعت بحرانی، ناپایداری
  • فاطمه روحانی، محمدرضا ذاکرزاده، مصطفی باغانی* صفحه 11

    ایجاد رسوب موادی از قبیل چربی و کلسیم در رگ یکی از عوامل عدم خون رسانی مناسب به اعضای بدن می باشد. یکی از روش های درمان گرفتگی رگ، جایگذاری استنت خوداتساع در رگ می باشد، استفاده از آلیاژهای حافظه دار در ساخت استنت خوداتساع به دلیل خواص سوپرالاستیک این آلیاژ گسترش یافته است. در این مقاله با جایگذاری استنت از جنس آلیاژ حافظه دار در رگ دارای گرفتگی، به بررسی میزان تنش و آسیب وارد به رگ توسط استنت در نرم افزار آباکوس پرداخته شده است. به منظور شبیه سازی رفتار رگ در این کار خواص غیرالاستیک رگ که شامل نرم شدگی و تغییر شکل پایدار رگ می باشد در نظر گرفته شده است و به منظور شبیه سازی رفتار استنت از مدل ساختاری سوزا استفاده شده است، این دو مدل به صورت کد یومت در نرم افزار آباکوس مورد استفاده قرار گرفته اند. با استفاده از مدل آسیب که دراین مقاله در نظر گرفته شده است میزان آسیب ایجاد شده در رگ، که یکی از عوامل گرفتگی مجدد رگ است، بررسی شده است. در صورت استفاده از مدل هایپرالاستیک و بدون در نظر گرفتن آسیب ایجاد شده در بافت رگ، بعد از برداشتن استنت تنش و کرنشی در رگ باقی نمی ماند و این نتیجه موجب خطا در پیش بینی رفتار رگ بعد از استنت گذاری می گردد. هم چنین در این مقاله از رگ با هندسه ی واقعی استفاده شده که با استفاده از عکس برداری به دست آمده است، بدین وسیله تحلیل انجام شده مطابقت بیشتری با واقعیت دارد و امکان تعیین نقاط بیشینه تنش و آسیب در رگ فراهم شده است.

    کلیدواژگان: استنت خوداتساع، آسیب، رگ، آلیاژ حافظه دار
  • فاطمه السادات علوی اندراجمی*، زینب محمدی صفحه 12

    شکستگی استخوانی ناشی از پوکی استخوان، یکی از مشکلات اصلی سلامت عمومی است به همین دلیل، این موضوع به یک هدف بسیار مهم برای پزشکان و محققان زیست پزشکی تبدیل گردیده است. در همین راستا هدف اصلی از این مطالعه، پیش بینی محل شکستگی استخوان ران تحت شرایط بارگذاری مختلف می باشد. امروزه استفاده از دستگاه های سنجش تراکم استخوان در کلینیک ها برای ارزیابی و پیش بینی پوکی استخوان گسترش یافته است. از این رو در این پژوهش تحلیل های المان محدود با به کارگیری مدل هایی بر مبنای تصاویر و گزارش دستگاه جذب-سنجی دوگانه اشعه ایکس برای پیش بینی الگوی شکستگی انجام گردیده است. مدل های المان محدود در ابتدا بر مبنای تراکم مواد معدنی گزارش شده در چهار ناحیه مشخص شامل گردن، تروکانتر بزرگ، تروکانتر میانی و کل استخوان ران مدل تهیه شد. پس از آن به منظور بهبود دقت پیش بینی های انجام شده، نقشه تراکم مواد معدنی استخوانی به صورت پیکسل به پیکسل با توجه به داده های خام دستگاه سنجش تراکم استخوان هولوژیک استخراج گردید. تحلیل های خطی المان محدود با استفاده از معیار حداکثر فاکتور خطر تعریف شده براساس نرخ چگالی انرژی کرنشی به چگالی انرژی کرنشی نهایی انجام شد و بدین ترتیب محل المان های بحرانی به عنوان محل شکستگی استخوان ران مشخص گردید. نتایج به -دست آمده حاکی از آن است که استفاده از توزیع غیر همگن تراکم مواد معدنی استخوانی در تحلیل المان محدود مدل های دو بعدی مبتنی بر روش جذب سنجی دوگانه اشعه ایکس می تواند به عنوان یک ابزار کارآمد جهت پیش بینی محل بروز شکستگی استخوان محسوب گردد.

    کلیدواژگان: پوکی استخوان، شکستگی استخوان ران، تحلیل المان محدود، جذب سنجی دوگانه اشعه ایکس، نقشه ی تراکم مواد معدنی
  • امین نجفی، سید مهدی طاهری، رضا باصفا* صفحه 13

    گرافن مارپیچ از جمله ساختارهای مارپیچی شکل دست ساز بشر است که اخیرا با پیشرفت نانوتکنولوژی و با الهام از طبیعت ایجاد شده است. در این تحقیق به بررسی خواص مکانیکی گرافن های مارپیچ چندلایه با مشخصات هندسی متفاوت با استفاده از روش دینامیک مولکولی پرداخته می شود و ارتباط بین تعداد لایه ها، مشخصات هندسی و خواص مکانیکی نانوذرات بررسی می شود. نتایج نشان داده اند که ویژگی های هندسی منحصر به فرد این نانوذرات موجب بروز خواص مکانیکی جالبی می شود که به شدت به ساختار آن ها وابسته است. به گونه ای که با افزایش تعداد لایه ها متناسب با مشخصه های هندسی نانوذرات، مراحل رفتار کششی آن ها تغییر می کند. ازجمله مهم ترین ویژگی های این نانوذرات کش پذیری شدید آن ها حتی برای برخی نمونه ها تا حدود 3000٪ است که با افزوده شدن یک لایه به ساختار آن ها به شدت کاهش می یابد. همچنین، نتایج بیانگر افزایش شدید نیرو در محدوده کرنشی کوچک، همزمان با شروع فرآیند کشش هستند که به دلیل نیروهای واندروالس قوی بین لایه ها است. ثابت فنر برای این نانوذرات در این ناحیه اولیه آزمون کشش محاسبه شده است و با افزوده شدن لایه ها مقدار آن کاهش می یابد. شناسایی خواص گرافن های مارپیچ چندلایه می تواند منجربه افزایش کارایی آن ها و عملکرد بهینه شان در ادوات نانومقیاس و حتی بهبود کارایی های چندمقیاسی شان شود.

    کلیدواژگان: خواص مکانیکی، گرافن مارپیچ چندلایه، شبیه سازی دینامیک مولکولی، خواص وابسته به هندسه، نانوذرات فنری شکل
  • توحید میرزابابای مستوفی، مصطفی سیاح بادخور، مهسا سادات میر علینقی، هاشم بابایی* صفحه 14

    از سامانه تک مرحله ای انفجار مخلوط گاز برای شکل دهی آزاد ساختارهای فلز-پلیمر استفاده شده است. در بخش تجربی، به منظور بهبود عملکرد ورق های آلومینیومی در برابر بار ضربه ای حاصل از انفجار مخلوط گاز، لایه ای از ماده پلی اوره به پشت ورق فلزی پاشیده شد. به منظور بررسی اثر ضخامت لایه های فلزی و پلیمری بر پاسخ دینامیکی سازه، از ورق آلومینیومی در ضخامت های 1، 5/1، 2 و 5/2 میلی متر و همچنین روکش پلی اوره در ضخامت های 3، 4، 5 و 6 میلی متر استفاده شده است. نتایج تجربی نشان داد که پاشش ماده پلی اوره به پشت ورق آلومینیومی می تواند بیشترین خیز دایمی سازه را تا میزان بسیار چشم گیری کاهش داده و از پارگی نمونه های آلومینیومی جلوگیری کند. در بخش مدل سازی عددی، از شبکه عصبی از نوع GMDH برای ارایه یک مدل ریاضی بر مبنای اعداد بی بعد جهت پیش بینی بیشترین خیز دایمی ساختارهای فلز-پلیمر تحت بار دفعی استفاده شد. به منظور افزایش قابلیت پیش بینی شبکه عصبی پیشنهادی برای این فرآیند، داده ها به دودسته آموزش و پیش بینی تقسیم شدند نتایج بدست آمده نشان داد که توافق خوبی بین مدل ارایه شده با مقادیر تجربی بر قرار است به طوری که تمامی نقاط در محدوده خطای کمتر از 10% قرار گرفتند..

    کلیدواژگان: آلومینیوم، پلی اوره، روش انفجار مخلوط گاز، شبکه عصبی، مدل سازی
  • مریم فریدزاده، محمدحسین صادقی*، عارف مومنی صفحه 15

    پوشش دهی لیزری یکی از روش های اصلاح سطحی است که لیزر به عنوان منبع حرارتی موجب ذوب ماده روی سطح قطعه می گردد. با توجه به موضعی بودن حرارت ایجاد شده و به تبع آن کم شدن اعوجاج، کوچک بودن ناحیه متاثر از حرارت و استحکام مناسب زیرلایه با پوشش این روش کاربرد فراوانی دارد. پارامترهای موثر در این فرآیند شامل توان لیزر، سرعت روبشی لیزر، نوع ماده پوششی ، فاصله کانونی لیزر، قطر لکه لیزر، عرض پالس و.. می باشد که در اینجا سه مورد اول مورد ارزیابی قرار می گیرد. با انتخاب پارامترهای ورودی مناسب منجر به ایجاد سطحی با خواص مکانیکی مطلوب از جمله بالا بودن مقاومت سایشی، مقاومت خوردگی، مقاومت در برابر اکسیداسیون در دمای بالا و سختی مناسب همراه با کمترین عیوبی مثل تخلخل، ترک می گردد. خروجی های فرآیند در اینجا شامل تخلخل، میزان ترک های عرضی و رقیق شدگی پوشش است. رویه سطح پاسخ به عنوان روشی جهت تحلیل خروجی های فرآیند پوشش دهی پودر کامپوزیتی تیتانیوم کارباید- فولاد زنگ نزن L 316 روی فولاد زنگ نزن L 316 بکار گرفته شد. در نهایت با یافتن مقادیر بهینه پارامتر های ورودی با استفاده از نرم افزار آماری مینی تب سطحی با کمترین میزان تخلخل، ترک عرضی و رقیق شدگی مناسب ایجاد می گردد. پوشش نهایی دارای کمترین عیوب و سختی 606 ویکرز1/0 که نسبت به زیرلایه (150 ویکرز1/0) حدود 4برابر افزایش یافته است، می باشد.

    کلیدواژگان: پوشش دهی لیزری، پیش نشانی، رقیق شدگی پوشش، تخلخل پوشش
  • وحید طهماسبی*، امیرحسین ربیعی، مهدی صفری صفحه 16

    فرآیند فرزکاری اتوماتیک استخوان کورتیکال در جراحی ها و عمل های اورتوپدی مانند تعویض مفصل زانو، اوتولوژیک، ستون فقرات و تعویض مفصل ران مورد استفاده قرار می گیرد. رفتارنیروهای ایجاد شده توسط ابزار برشی در طول فرآیند فرزکاری استخوان کورتیکال می بایست به دقت مورد بررسی قرار گیرد. در این مقاله، یک سیستم استنتاج عصبی- فازی تطبیقی برای مدل سازی اثر پارامترهای مهم در فرزکاری استخوان کورتیکال شامل سرعت برش، پیشروی، عمق برش و قطر ابزار برای پیش بینی نیروهای برش مورد استفاده قرار گرفته است. به منظور مدلسازی رفتار نیروی فرآیند، آزمایش های تجربی بر روی استخوان تازه ران گاو صورت پذیرفته است. سپس از نتایج آزمایش های انجام شده برای آموزش و تست سیستم استنتاج بکار گرفته شده، بهره گرفته شده است. . دقت مدل بدست آورده شده با استفاده از نمودارهای مختلف و همچنین بر اساس معیارهای ، ، ، و بررسی شده است. از نتایج بدست آمده مشخص می شود که شبکه انفیس در پیش بینی نیروهای برش در فرآیند سوراخکاری استخوان کورتیکال بسیار موفق عمل کرده است. معیارهای جذر میانگین مربعات خطا و میانگین خطای مطلق برای بخش آموزش شبکه بسیار کوچک و نزدیک به صفر می باشد. این معیارها برای داده های مربوط به بخش تست شبکه نیز، مقادیر نسبتا کوچکی (کوچکتر از 5/0) می باشند. در مجموع میانگین خطای شبکه برای تخمین نیروهای برش در بخش آموزش برابر با 37/0 درصد و در بخش تست برابر با 7/8 درصد محاسبه شده است.

    کلیدواژگان: فرزکاری استخوان، استخوان کورتیکال، ماشینکاری سیستم عصبی - فازی تطبیقی (انفیس)، نیروهای برش استخوان
  • فرید حسینی منسوب، علی باستی*، ابوالفضل درویزه، اصغر زاجکانی صفحه 17

    در این مقاله یک روش عددی برای مدلی که توانایی بیان حد شکل پذیری ورقهای فولادی را بر اساس نرخ کرنش، گلویی شدن موضعی و آسیب نرم را داشته باشد ارایه شده است. شکل پذیری ورق را می توان توانایی ورق در تغییر شکل و تبدیل شدن به شکل مورد نظر بدون پارگی و گلویی شدن، تعریف کرد. یکی از روش های معروف که محدودیتهای فوق را نشان می دهد نمودار حد شکل دهی می باشد. با کاربرد معادله توانی کرنش سختی فلزات که وابسته به نرخ کرنش می باشد در تیوری ورتکس، ضمن اینکه پدیده گلویی شدن موضعی را می توان بررسی کرد اثر نرخ کرنش را نیز می توان لحاظ نمود. هدف دیگر این مقاله آنالیز حد شکل پذیری ورقهای فولادی بر اساس معیار آسیب نرم وابسته به حالت تنش (سه محورگی تنش و پارامتر لود) است. نتایج مدل عددی ارایه شده در سابروتین نرم افزار المان محدود آباکوس با نتایج آزمایشگاهی در ورقهای فولادی St13 و St14 برای اعتبار سنجی مقایسه گردید و مشخص شد که این مدل عددی دارای دقت بسیار بالایی می باشد. همچنین بر اساس این نتایج، نمودارهای حد شکل دهی ورقهای فولادی وابسته به نرخ کرنش می باشد. به طوری که با افزایش نرخ کرنش سطح نمودارهای حد شکل دهی افزایش یافته و این افزایش سطح در نرخ کرنشهای بالا نسبت به نرخ کرنشهای پایین قابل ملاحظه می باشد.

    کلیدواژگان: آسیب نرم، حالتهای تنش، نرخ کرنش، حد شکل دهی، تئوری ورتکس
  • امید سام دلیری، محمدرضا فراهانی* صفحه 18

    اتصالات چسبی در سازه های مهندسی بویژه درصنایع دریایی، هوافضا، خودروسازی، نفت و گاز به کار می روند. با توجه به اینکه اتصال ضعیف ترین بخش یک سازه مهندسی محسوب می شود، احتمال شکست از محل اتصال چسبی بالا است. بنابراین، پایش وضعیت اتصال چسبی از اهمیت ویژهای برخودار است. هدف از این مقاله، پایش وضعیت آسیب در اتصال چسبی تک لبه با استفاده از نانولوله های کربنی چند جداره است. این کار با روش ثبت تغییرات مقاومت الکتریکی طی بارگذاری مکانیکی انجام شده است. این انتشار آسیب به صورت انتشار ترک در اتصال چسبی مشاهده شده است. در ابتدا نانولوله های کربنی چند جداره با 9 درصد وزنی با استفاده از دستگاه آلتراسونیک درون رزین اپوکسی پراکنده شدند. پس از اضافه نمودن سخت کننده، ماده بدست آمده بلافاصله درون قالب اتصال چسبی تک لبه ریخته شد. اتصال چسبی معیوب با سطح عیب %10، %30 و %70 و با عیب های دایره ای و مربعی ساخته شد. این نمونه ها تحت آزمون کشش، قرار گرفته و پاسخ مقاومت الکتریکی آن تحت بارگذاری برشی ثبت شد. نتایج نشان داد که بیشترین تغییرات کلی مقاومت در نمونه اتصال چسبی با اندازه عیب 30 درصد مربعی اتفاق افتاده و بخش زیادی از پیشرفت آسیب به صورت انتشار ترک در چسب رسانا مشاهده شد. نتایج بدست آمده نشان داد که زمانی که بخش بزرگی از ترک درون چسب و بخش اندکی از آن در مرز عیب رشد می کند، بیشترین تغییرات کلی مقاومت مشاهده می شود.

    کلیدواژگان: پایش وضعیت نانولوله های کربنی چند جداره، اتصالات چسبی، تغییرات مقاومت الکتریکی، حسگر
  • مسعود گودرزی، سید مجید یادآور نیک روش* صفحه 19

    پیچ ها اتصالاتی موقتی و پرکاربرد هستند که اگرچه به واسطه ویژگی های مثبت فراوان، در اغلب سازه های صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند؛ اما به واسطه ماهیت عملکردی شان همواره در معرض خرابی و متعاقبا، آسیب رسانی به سازه یا تجهیز می باشند. از علل رایج خرابی سازه های صنعتی دارای اتصالات پیچی، شل شدگی پیچ ها می باشد که تشخیص به موقع آن می تواند سبب پیشگیری از تحمیل هزینه های سنگین مالی و بعضا جانی گردد. روش های مرسوم تشخیص این عیب، معایب مختلفی دارند، به عنوان مثال روش های کنترل گشتاور اغلب دارای خطای بالا بوده، روش های مبتنی بر اندازه گیری امپدانس هزینه هایی بالا به همراه داشته و روش های ارتعاشی یا اولتراسونیک نیز به واسطه استفاده از پدیده هایی خطی در تشخیص خرابی، از دقت بالایی برخوردار نمی باشند. روش مدولاسیون ویبروآکوستیک یکی از روش های است که به کمک اندازه گیری شدت مدولاسیون سیگنال های ارتعاشی و اولتراسونیک اعمال شده به سازه، می تواند با دقت بسیار بالایی به تشخیص و ارزیابی شل شدگی اتصالات پیچی بپردازد. در این مقاله، با ساخت نمونه ی آزمایشگاهی یک پایه برج یک توربین بادی، کارایی روش در تحلیلی تجربی و عددی مورد بررسی قرار گرفته است و نشان داده شده است که این روش قادر به تشخیص وجود شل شدگی با دقتی 12.5 درصدی می باشد. علاوه بر این، تاثیر پارامترهایی همچون؛ فرکانس تحریک اولتراسونیک و ارتعاشی، محل قرارگیری حسگر و عملگر، شدت گشتاور اعمال شده به پیچ ها، تاثیر افزایش بیش از حد گشتاور بررسی شده و دقت روش در سازه ی مدنظر تخمین زده شده است.

    کلیدواژگان: تشخیص خرابی، اتصالات پیچی، تست های غیرمخرب، پایش وضعیت، روش مدولاسیون ویبروآکوستیک
  • حمید غوغا، سید علی موسوی، مسعود فرحناکیان* صفحه 20

    رزوه از جمله تکنولوژی هایی است که به صورت گسترده در صنعت به کار می رود. فرزکاری رزوه به عنوان یکی از روش های جایگزین قلاویزکاری پیشنهاد می شود. در این روش یک ابزار با قطر کوچکتر با حرکت در یک مسیر مارپیچ (هلیکال) عمل رزوه زنی را انجام می دهد. این نوع رزوه زنی دارای مزیت های فراوانی است، که از جمله مزایای آن رزوه زدن سوراخ های با قطرهای مختلف، تنها با یک ابزار می باشد. یکی از مسایل مهمی که در ماشینکاری وجود دارد، مسئله سایش ابزار در ماشینکاری است. سایش ابزار علاوه بر تاثیر بر روی اقتصاد ماشینکاری، روی صافی سطح و دقت ابعادی قطعه ماشینکاری شده تاثیر مستقیم دارد. پارامترهای موثر بر سایش ابزار در این نوع رزوه زنی عبارتند از زوایا و هندسه ابزار، روش های عمق دهی در رزوه زنی، پیشروی و سرعت چرخش ابزار می باشد. هدف از انجام این تحقیق بررسی روش های عمق دهی در رزوه زنی و تاثیر پارامتر های ماشینکاری بر سایش ابزار در فرزکاری رزوه می باشد. نتایج حاصل از آزمایش های تجربی نشان می دهد که با افزایش میزان پیشروی از مقدار 2/0 تا 4/0 میلیمتر بر دور، سایش سطح آزاد ابزار بطور میانگین حدود 30 تا 40 درصد افزایش می یابد. همچنین با افزایش سرعت اسپیندل از 500 تا 900 دور بر دقیقه، سایش سطح آزاد ابزار حدود 50 تا 60 درصد افزایش می یابد. روش عمق دهی افزایشی در دور اسپیندل های مختلف بطور میانگین حدود 300 درصد و روش عمق دهی جناحی 28 درجه، بطور میانگین حدود 100 درصد عمر ابزار را نسبت به استراتژی مستقیم افزایش می دهد.

    کلیدواژگان: فرزکاری رزوه، روش های عمق دهی در رزوه زنی، سایش سطح آزاد ابزار، پیشروی، سرعت برشی
|
  • Hossein Mirzaeinejad *, Ali Mohammad Shafei Page 1

    One of the main topics in the field of robotics is the modeling and control of the mobile robots intrajectory tracking problem. In this paper, the kinematic and dynamic models of a manipulator connetcted by revolute-prismatic joints and installed in a non-holonomic wheeled mobile platform are first derived by applying the recursive Gibbs-Appell method. Indeed, by employing this dynamic methodology, one gets rid of the difficulties of Lagrange Multipliers that originate from non-holonomic constraints. Then, a nonlinear predictive approach is applied to design the kinematic and dynamic control laws to generate trajectory tracking control commands of the non-holonomic robot. In this method, the nonlinear responses of the mobile robot are predicted using Taylor series. The optimal control laws are analytically developed by minimizing the difference between the predicted and the desired responses of the system outputs. The multivariable kinematic controller specifies the desired angular and linear velocities of the mobile base and the manipulator links. The obtained control inputs are then used as the desired values to be tracked by the dynamic controller. Finally, the results of numerical simulations are presented to emphasize the ability the proposed method in the mathematical modeling and simultaneous trajectory tracking control of the mobile base and end-effector of such complex robotic systems.

    Keywords: Gibbs-Appell methodology, Nonholonomic constraint, Revolute-Prismatic joints, Predictive control, Trajectory tracking
  • Sepideh Akbari, Hamed Ghafarirad *, Mohammad Zaraee Nejad Page 2

    In this paper, kinematic modeling of a soft pneumatic robot, including a combination of 3 soft actuators, with the capability of spatial positioning is presented. The proposed kinematic model in this research, unlike former methods, corresponds the physics of robot and the main idea is modeling its configuration and movement by serial rigid robots which generate the same configuration and movement. The given kinematic model consists of forward and inverse problems and uses accurate geometrical solutions. In addition, velocity Jacobian of soft robot has been determined by two different approaches based on rigid serial robot principles. Furthermore, the robot work space and its configurations have been determined by considering the kinematic constraints. Modeling accuracy has been evaluated by finite element simulation and also experiments. Simulation results show the maximum error of 1.6% for the inverse kinematic model and the maximum error of forward kinematic model has been 13% in experiments due to manufacturing errors and gravity effects. These results demonstrate that the proposed model has proper accuracy for motion modeling and its control in future works.

    Keywords: Soft pneumatic actuator, kinematic modeling, Constant curvature, velocity kinematics, work space
  • Hossein Chehardoli *, Ali Ghasemi, Sepehr Fardrahnama Page 3

    Quadrotor is an unmanned aerial robot (UAR) from multi rotor drones group that has high maneuverability, vertical take off and landing (VTOL) and stationary flight capabilities. In the most applications, quadrotor system is subjected to disturbance forces due to wind and unbalanced weight or inertia of the payload. In the most applications, quadrotor system is subjected to disturbance forces due to wind and unbalanced weight or inertia of the payload.In order to maintain balance and hold the position, attitude stabilization of quadrotor is necessary in the presence of disturbances and unbalanced forces. Using conventional controllers with constant gains is not very efficient to eliminate variable disturbances that affect quadrotor in different conditions. In this paper, an adaptive fuzzy proportional- integral- derivative (PID) controller is designed for quadrotor attitude stabilization in which controller gains are regulated continuously based on the adaptive law and the fuzzy system. Performance of the proposed controller is examined in disturbance rejection test and is compared to conventional proportional- integral- derivative controller. Also, performance of the proposed controller is approved by the hardware in the loop (HIL) experimental tests using a 3 degree of freedom (DOF) pilot platform.

    Keywords: Quadrotor, Attitude control, adaptive fuzzy PID, Hardware in the loop
  • Ali Keymasi Khalaji *, Iman Saadat Page 4

    In this paper, by introducing a robust hybrid controller with an obstacle avoidance unit based on potential functions, the trajectory tracking control of quadrotors are discussed in the presence of obstacles. Quadrotors are underactuated systems and the design of a robust tracking controller has become one of the most challenging topics in recent researches. First, dynamic modeling of a quadrotor is considered using the Newton-Euler method by considering all its nonlinear terms. In the following, the system state space is represented. Then, a control method based on linear control algorithms is designed to control the outer loop and for the inner loop of the controller, the backstepping method is presented. The combination of the control methods is designed so that the best performance of the system is obtained in terms of convergence to the reference path, minimum steady-state errors and other transient response specifications of the system. In the following, an obstacle avoidance unit based on potential functions is designed to prevent the collision of the quadrotor with obstacles by creating a repulsive force between the system and the obstacles. Finally, trajectory tracking case studies are considered for a quadrotor in the presence of obstacles. Obtained results show the robust performance of the controller in tracking the trajectories and avoiding obstacles.

    Keywords: Quadrotor, backstepping control method, obstacle avoidance unit, potential function based, trajectory tracking control
  • Mostafa Nasiri * Page 5

    Hardware-In-the-Loop (HIL) can be used for testing of electronical controller of a closed-loop control system within computer-based real-time simulation of the rest of the system. In this paper, The Pitch Attitude Hold (PAH) mode controller of an unmanned aircraft vehicle is tested using networked hardware in the loop simulation. A computer is used for real-time simulation of flight and a PC/104 hardware is employed for controller implementation. The controller and the simulator are connected using network by UDP protocol. The hardware in the loop simulation can achieve unstable behavior or inaccurate results due to time-delay of network connection. Therefore, a polynomial-based predictor is designed for time-delay compensation of network connection. The consistency of the experimental real-time simulation and off-line simulation shows the applicability of the presented method for mitigating the effect of time-delay in the hardware in the loop simulation. Also, uncertainty of the model raised from stability and control derivatives are investigated. Also, uncertainty of the model raised from stability and control derivatives are investigated. Also, uncertainty of the model raised from stability and control derivatives are investigated.

    Keywords: networked Hardware in the loop simulation, Flight control system, time-delay, Uncertainty, Polynomial prediction
  • Fatemeh Rahimi, Yousef Bazargan Lari * Page 6

    Oncolytic viral therapy is a new promising strategy against cancer. Oncolytic viruses can replicate in cancer cells rather than in normal cells, leading to lysis of the tumor mass. Besides, oncotic viruses can stimulate the immune system. Since cancer viral therapy applies a virus infection, its complex dynamics should be analyzed using a mathematical model in order to identify its most effective treatment mechanism. During cancer viral therapy, there is a time delay from the initial virus infection of the tumor cells up to the time those infected cells reach the stage of being able to infect other cells. It is important to understand how the delay affects the cancer viral therapy. For this purpose, a mathematical model is introduced to identify this delay. To analyze the effects of delay on virus therapy, the model was reconstructed by adding both virus therapy and immunotherapy control. Finally, using a numerical simulation, a fuzzy PDC controller was designed for the first time. Numerical results showed that with proper control, the tumor cell population decreased to below 10% over time. It is also observed that the use of a delay-independent stability criterion for the design of the PDC controller has reduced the sensitivity of the system response to increasing time delay to an acceptable level. Since the studied system is introduced only in one reference and only the optimal controller is applied, the comparison shows the superiority and power of the designed fuzzy PDC controller.

    Keywords: Cancer, Viral therapy, Time Delay, Control, Linear matrix inequality
  • Marziye Noroozia, Firooz Bakhtiari Nejad * Page 7

    The nonlinear dynamic and vibration behaviors of a cantilever carbon nanotube reinforced composite trapezoidal plate with two surface-bonded piezoelectric layers as an actuator in micro air vehicles which exposed to subsonic airflow under combined parametric and external excitations are considered in this paper. The plate is reinforced by single-walled carbon nanotubes. The large deflection Von Karman plate assumptions and the classical laminated plate theory are applied to derive the governing equations of the motion of the piezoelectric nanocomposite laminated trapezoidal plate by using the Hamilton’s principle. The geometry of trapezoidal plate is mapped into rectangular computational domain. The Galerkin’s approach is used to transform the nonlinear partial differential equations of motion into nonlinear two-degrees-of-freedom ordinary differential equations of cubic nonlinearities. The case of 1:3 internal resonance and primary resonance is considered and the multiple scales method is employed. The aerodynamic pressure distribution formula is modeled by linear potential flow theory. The frequency-response curves, time history responses and phase portrait in free, forced and actuated vibrations cases are obtained to analyze the nonlinear dynamic behavior of the plate. The effects of different parameters such as the plate geometry, volume fraction of carbon nanotubes and different excitations on the nonlinear vibration of the laminated thin plate are also discussed. A complex softening nonlinearity with two peak in the higher mode is observed in frequency response curves.

    Keywords: Trapezoidal actuator, Combined parametric, external excitations, Internal Resonance, Subsonic airflow, Multiple scales method
  • Mohammadreza Eghbali, Seyyed Amirhosein Hosseini *, Omid Rahmani Page 8

    The purpose of this thesis is to study the free vibrations along a longitudinal line of a targeted graded nano-micro beam with an attached mass based on the theory of nonlinear elasticity using the asymptotic development method. Due to its small size and behavior depending on its size and the inability of classical therories to predict dependant mechanical behaviors, non classical therories have been used. The governing equations and boundary condition relations of targeted graded nano-micro beam with five boundary conditions simple-simple, clamped-free, clapmed-clamped, clapmed-simple and clamped-attached mass have derived by using Hamiltonian principle. Then differential equation is solved analytically to obtain the frequency equations for the five bondary conditions. In the following, non-dimension frequencies by using the solving zero and first order of numerical asymptotic development method have derived. Advantage of this method is simplicity, noncomplex mathematical relations and proper coding execution time. Eventually, effect of non-local parameter, material length scale, type of material, ratio of length to thickness and mode number on free vibration nano-beam has been investigated.

    Keywords: Nanobeam, Nonlocal strain gradient theory, Axially functionally graded, Natural Frequencies, Asymptotic development method (ADM)
  • Ali Bakhsheshy, Hossein Mahbadi * Page 9

    The length-scale parameter as a primary factor has an important role in approximation of natural frequencies of micro-structures. Applying the exact length scale parameters which are recently determined by researchers, natural frequencies of porous microstructures are determined. In view of the fact that assumption of constant length-scale parameter leads to deviation of natural frequencies from their exact value, this research applies a length scale parameter which is function of plate thickness and material. To model the porous structures of the plate, the proposed porous models including evenly porosity mode, unevenly symmetric porosity model, and unevenly asymmetric porosity model are employed. The micro-plate is assumed to be thin, and classical plate theory is applied to displacement field of the micro-plate. The modified stress couple theory is employed to approximate the behavior of the plate in micro-scale. The trial functions which satisfy the boundary conditions are taken as the polynomial form. Evaluating the energy values of the system, the Rayleigh-Ritz method is imposed to solve the governing equations of the system. Validated the solution procedure with data given in the literature search, effects of various parameters on natural frequency of the plate are studied in the form of tables and curves.

    Keywords: porous rectangular microplate, Modified Couple Stress Theory, length scale parameter
  • Ali Forooghi, Mehran Safarpour, AkbarAli Beigloo * Page 10

    For the first time, in this work, Vibrations of the axially graded Rayleigh moving beams are studied. It is supposed that the material characteristics of the system change linearly or exponentially in longitudinal direction continuously. By using Galerkin method and eigenvalue problem, the natural frequencies and divergence of the system are computed numerically. In addition, the analytical relations are extracted for the critical velocity of the system. Critical velocity contours and stability maps are investigated for different distributions of material. As indicated, exponential and linear changes lead to a more stable system in the variable state of density and elastic modulus, respectively. Also, the results indicated that increasing the elastic modulus gradient parameter or decreasing the density gradient parameter results in an increase in the natural frequency of the system and a development in the stability. Hence, alteration in the density and elastic modulus gradient parameters has an opposite role in the dynamic behavior of the system. The results of this study can be useful for designing and optimizing high speed non-homogeneous axial movable structures.

    Keywords: Axial graded materials, Gradient parameter, Moving beam, Critical Velocity, Instability
  • Fatemeh Rouhani, MohammadReza Zakerzadeh, Mostafa Baghani * Page 11

    Deposition of fatty substances and calcium in the artery is one of the factors that cause decrease of blood supply to the organs of the body. One of the common methods to resolve artery stenosis is insertion of a shape memory alloy (SMA) stent in the artery. The use of shape memory alloys in the manufacturing of self-expandable stent has expanded because of the superelastic behavior of this alloy. In this paper, we simulated the SMA stent insertion in an artery to explore stress and damage effects arising from the stent insertion on the artery by using ABAQUS software. In order to simulate mechanical behavior of artery, we considered the effect of the inelastic arterial properties (stress softening and recoverable inelastic deformation) that activated under supra physiological loading in stenting process and in order to simulate stent behavior, the Souza model is used. These two models were applied in ABAQUS by UMAT codes. By using damage model, the amount of damage in the artery, which is one of the factors of restenosis, is investigated. Also, in this paper, we use real diseased artery geometry, which were specified from high resolution Magnetic Resonance Images, therefor the analysis is more in line with reality and it is possible to determine the location of the maximum stress and damage in the artery.

    Keywords: Self-expandable stent, Damage, artery, Shape Memory Alloy
  • Fatemeh Sadat Alavi *, Zeinab Mohammadi Page 12

    Osteoporotic bone fracture is a significant public health problem. Therefore, it has become a fundamental goal for physicians and biomedical researchers. In this regard, the main objective of this study is to predict hip fracture location under various loading conditions. Nowadays, the use of bone densitometry in clinics has expanded to evaluate and predict osteoporosis. Therefore, in this research, finite element analysis is carried out using models based on images and reports of dual-energy X-ray absorptiometry system to predict the fracture pattern. Initially, the finite element models were created based on the bone mineral density reported in four distinct regions including neck, greater trochanter, intertrochanter, and total hip. To improve the accuracy of predictions, the pixel by pixel bone mineral density map was extracted based on the raw data of the HOLOGIC bone densitometry device. Linear finite element analysis was performed using the maximum risk factor that defined based on the ratio of the strain energy density to the yield strain energy density, and thus the location of femoral fractures were determined based on the location of critical elements. The results demonstrate that using the non-homogeneous distribution of bone mineral density in a finite element analysis of the 2D models based on dual-energy X-ray absorptiometry can be considered as a useful tool for predicting the location of the bone fracture.

    Keywords: Osteoporosis, Femur fracture, Finite element analysis, Dual-Energy X-ray Absorptiometry, BMD mapping
  • Amin Najafi, Seyed mahdi Taheri, Reza Basafa * Page 13

    Graphene helicoid is a man-made spiral structure that has recently been created with the advent of nanotechnology inspired by nature. In this study, the mechanical properties of multi-layer graphene helicoid with different geometric characteristics are studied using molecular dynamics simulation and the relationship between number of layers, geometric properties and mechanical properties of nanoparticles are investigated. The results show that the unique geometric properties of these nanoparticles produce interesting mechanical properties that are highly dependent on their structure. The stages of the tensile behavior of these nanoparticles are altered by increasing the number of layers corresponding to the geometric characteristics of the nanoparticles. One of the most important characteristics of these nanoparticles is their high stretchability, even for some specimens, up to 3000%, which, with the addition of a layer to their structure, decreases sharply. The results also indicate a strong increase in force in the small strain range with the onset of the stretching process due to the strong van der Walls forces between the adjacent layers. The spring constant for these nanoparticles is calculated in this initial area of the tensile test and, decreases with the addition of the layers. Identifying the properties of multilayered graphene helicoid can lead to an increase in their efficiency and their optimal performance in nanoscale devices and even improve multiscale performance.

    Keywords: Mechanical Properties, Multilayer Graphene Helicoid, Molecular Dynamic Simulation, Geometric dependent properties, spiral nanostructures
  • Tohid Mirzababaie Mostofi, Mostafa Sayah Badkhor, mahsa sadat Miralinaghi, Hashem Babaei * Page 14

    A single-stage gas detonation apparatus was used for the free forming of metallic-polymeric structures. In the experimental section, to improve the performance of aluminum plates under gas mixture detonation loading, a layer of polyurea material was sprayed onto the back surface of the metallic plate. In order to investigate the effect of the thickness of the metallic and polymeric layers on the dynamic response of the structure, aluminum plates with different thicknesses of 1, 1.5, 2 and 2.5 mm, as well as polyurea coatings with different thicknesses of 3, 4, 5 and 6 mm, were used. Experimental results showed that spraying the polyurea coating onto the back surface of aluminum plates can significantly reduce the maximum permanent deflection of the structure and also prevent the rupture of the aluminum specimens. In the numerical modeling section, the Group Method of Data Handling (GMDH) neural network was used to present a mathematical model based on dimensionless numbers to predict the maximum permanent deflection of metallic-polymeric structures under impulsive loading. In order to increase the prediction capability of the proposed neural network for this process, the experimental data were divided into two training and prediction sets. The results showed that good agreement between the proposed model and the corresponding experimental results is obtained and all data points are within the ±10% error range.

    Keywords: Aluminum, Polyurea, Gas detonation forming method, Neural Network, Modelling
  • Maryam Faridzadeh, MohammadHosein Sadeghi *, Aref Momeni Page 15

    Laser cladding is one of modification surface approaches which can lead to surface with an appropriate mechanical characteristics like high wear resistance, high resistance from oxidation in high temperature. The aim of this process is cladding one composite, ceramic or metal layer on the substratum. It should be noted that regardless of cladding process parameters, the type of material cladding layer is one of critical parameters which affects on mechanical characteristic in this process. In this research, cladding of composite powder TiC/316LSS with certain volume percentage (TiC/316LSS) 5, 10, 15 on steel 316LSS by using laser type Nd:YAG is investigated. Output parameters include the value of porosity in cladding, the value of transverse crack and the value of dilution of cladding. With designing experiment and analyzing output results by using CCD approach, the effect of input process parameters on the quality of cladding surface is investigated. In addition, by obtaining optimized value of input process parameters for creating cladding surface with lowest value of porosity and crack, cladding surface with hardness of 660 HV 0.1 is achieved, which is 4 times harder than substratum with hardness of 150 HV 0.1.

    Keywords: Laser cladding, preaddressing, dilution of cladding, Porosity of cladding
  • Vahid Tahmasbi *, AmirHossein Rabiee, Mahdi Safari Page 16

    The automatic cortical bone milling process is being utilized in surgeries and orthopedic operations including knee joint replacement, ontological, spinal cord and hip replacement The behavior of forces generated by the cutting tool during the cortical bone milling process should be prudently evaluated. In this article, an adaptive neuro-fuzzy inference system is utilized to model the effect of important parameters in the cortical bone milling process including the rotational speed, feed rate, depth of cut and tool diameter so as to predict the cutting forces. To model the process force behavior, experimental tests are conducted on the fresh cow femur. Next, the results of performed experiments are used to train and test the employed inference system. In this model, the most influential parameters of automatic cortical bone milling process including the rotational speed, feed rate, tool diameter and depth of cut are taken as the input parameters, while the cutting forces in the feed direction, normal to the feed direction and normal to the bone surface as well as the resultant force are considered as the output. With regard to the network training section, the values of root mean square error and mean absolute error criteria are quite small, being close to zero. These criteria also yield relatively small values (less than 0.5) for the date related to the network test section. Overall, the average network errors for estimating the network cutting forces in the training part and test part are equal to 0.37% and 8.7%, respectively.

    Keywords: bone milling, cortical bone, machining, ANFIS, bone cutting forces
  • Farid Hosseini Mansoub, Ali Basti *, Aboulfazl Darvizeh, Asghar Zajkani Page 17

    In the present paper, a predictive strain-rate-dependent model of localized necking is developed by using a modified Vertex theory. A novel ductile damage -based criterion is proposed to control the necking parameters including on stress triaxiality, strain hardening exponent and Lode parameters. As a characterization parameter, elastic modulus is eventually chosen to measure the ductile damage during process of plastic deforming. Furthermore, a vectorized user - defined material subroutine is developed to finite element simulation by ABAQUS software, according to original formulations, in order to create linkage between related essential models. A typical strain rate-dependent metal is selected to validate the modified Vertex theory. To examine the accuracy of the results from present simulated study, the applicability is considered to compare with the experimental results. Tests of forming are also performed for St 13 and St14 sheets to measure forming limit diagram (FLD). It should be noted that the simulated FLDs are in good agreement with the experimental data. However, this correlation at low strain rates is better than high strain rates. However, this increase will be infinitesimal for the lower strain rates as compared to the higher ones.

    Keywords: Ductile Damage, Stress state, Strain Rate, Forming limit diagrams, Vertex theory
  • Omid Sam Daliri, Mohammadreza Farahani * Page 18

    Adhesive joints have been employing in engineering structures such as marine, aerospace, automotive, oil and gas industry. Since the joints are the weakest part of engineering structures, the fracture possibility in adhesive joint is high. Therefore, structural health monitoring of adhesive joint is an important issue. The aim of this paper was condition monitoring of damage in the single lap adhesive joint by multiwall carbon nanotubes. This work is carried out by recording the electrical resistance change during the mechanical loading. This damage propagation is observed as a crack extension in adhesive joint. Firstly, MWCNTs with 9 wt.% are dispersed in an epoxy resin by ultrasonic device. Then, the hardener is added to the nonoadhesive. The obtained material is immediately poured into single lap adhesive joint mold. The defective adhesive joints were manufactured with circular and square defects in different sizes i.e. 10%, 30% and 70% overlap area. The specimen is subjected to tensile test and electrical resistance change are recorded during the shear load. The results showed that the maximum value of relative resistance change is occurring in the adhesive joint comprises of square defect with 30% overlap area of defect. In this situation, the crack was propagated in nanoadhesive and a small part of a crack was extended from defect boundary.

    Keywords: Condition monitoring, Multiwall Carbon nanotube, Adhesive joint, Electrical resistance changes, Sensor
  • Masoud Goudarzi, Seyed Majid Yadavar Nikravesh * Page 19

    Flanged joints’ looseness is among the common causes for the failure of industrial structures with flanged joints the timely detection of which can prevent the imposition of heavy financial losses and in some cases injuries. There are conventional methods for detecting this fault and each of them has its own drawbacks. For instance, torque control methods have high error of measurement, impedance-based measurement methods, have high expenses, and vibration or ultrasonic methods lack accuracy due to the use of linear phenomena in fault detection. Vibro-Acoustic modulation method is one of the nonlinear fault detection methods that detect and assess looseness of flanged joints with high precision through the measurement of the intensity of the vibrational and ultrasonic signals modulation applied to the structure. This paper was an attempt to investigate the efficiency of the Vibro-Acoustic modulation method in the detection and evaluation of flanged joints numerically and experimentally. For this, a laboratory sample composed of two pipes connected with flanged joints is employed. It is revealed that this method can detect bolt looseness with 12.5% precision. In addition, the effect of parameters such as ultrasonic and vibrational frequency, amplitude of applied torque, sensors and actuators position, as well as excessive increase of torque have been examined and the model precision in the studied structure has been estimated.

    Keywords: NDT, Fault detection, Looseness Detection, Vibro-Acoustic Modulation, Impact Modulation
  • Hamid Ghogha, Seyed Ali Mosavi, Masoud Farahnakian * Page 20

    Thread has been considered as a widely used technology in the industries. Thread milling is suggested as an alternative process of tapping. Thread milling includes a small tool which follows a helical path. This process includes significant advantages such as threading holes with different diameters using a specific tool. One of the important issues in machining is the tool wear. Besides a noticeable effect on the machining economy, tool wear has a direct impact on the surface roughness and dimensional accuracy of the workpiece. In thread milling, effective parameters on the tool wear include tool angles and geometry, infeed method in thread cutting, feed, and tool rotational speed. Tool wear and infeed method in thread milling have not been subjected in recent investigations. Hence, this research studies the infeed methods and effective parameters of the machining process on the tool wear during thread milling. Experimental results showed increasing of feed from 0.2 to 0.4 mm/rev led to 30 to 40% larger values of tool flank wear. Also, the variation of rotational speed from 500 to 900 rpm increased tool flank wear about 50 to 60%. Two cases of infeed method were employed which were incremental and modified flank infeed. Considering different rotational speeds, the incremental infeed method increased tool life about 100% while the modified flank infeed method achieved 300% higher tool life.

    Keywords: Thread milling, Infeed methods in thread cutting, Flank wear, cutting speed, Feed