فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک مدرس
سال بیست و یکم شماره 6 (خرداد 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/03/08
  • تعداد عناوین: 6
|
  • فرهاد رجایی، خلیل عالی پور*، بهرام تاروردی زاده، علیرضا هادی، حسین ولی یان هلق صفحات 353-365

    حرکت مچ پای انسان نتیجه تعامل پیچیده بین عصب و ماهیچه ها است. به منظور ایجاد عملکردی مشابه عملکرد عضو واقعی، پروتزهای مچ پای زیادی(غیرفعال، نیمه فعال، فعال) طراحی شده اند. اگر از پروتزهای غیرفعال و نیمه فعال که تامین توان خالصی ندارند و عملکردی متفاوت از عضو واقعی دارند بگذریم، بزرگترین چالش پیش رو در پروتزهای فعال، تامین توان و انرژی موردنیاز به منظور ایجاد رفتاری مشابه رفتار مچ پای سالم است. تامین مستقیم این توان و انرژی، نیاز به محرک با گشتاور و توان بالا دارد که باعث افزایش شدید وزن و اندازه پروتز می شود. در این مقاله به منظور کاهش این انرژی و توان مورد نیاز، از طراحی جدید و متفاوتی به صورت ترکیب محرک غیر فعال (فنر) و محرک فعال (موتور) استفاده می شود که وزن موتور موردنیاز را به شدت کاهش می دهد و علاوه بر مد راه رفتن قادر به پشتیبانی از مد دویدن تا سرعت 2.5 متر بر ثانیه نیز است. مرحله اول این مقاله شامل مدل سازی مکانیکی مچ پا و بررسی کارایی و مصرف توان و انرژی در تمامی مدل های ارایه شده می باشد.

    کلیدواژگان: افراد معلول، ربات های توان بخش، پروتز مچ پا، مدل مکانیکی مچ پا، بهینه سازی انرژی و توان
  • هادی افکار، علی کیانی فر*، حسین زمانی صفحات 367-378

    نان مسطح(نان با ضخامت کم و سطح صاف) بر خلاف نان حجیم در کشورهای اندکی از جمله ایران مورد استفاده قرار می گیرد و تحقیقات بسیار کمی درباره آن انجام شده است. هدف از انجام این پژوهش، بررسی عددی و آزمایشگاهی میزان تخلخل و روشنایی سطح در نان مسطح پخته شده با پروفیل های مختلف شار حرارتی پله ای صعودی می باشد. در این پژوهش، به منظور بررسی اثر پروفیل های مختلف شار حرارتی در فرایند پخت نان مسطح متخلخل، نان های مورد نیاز با استفاده از دستگاه ساخته شده در مقیاس آزمایشگاهی پخته شده و معادلات انتقال گرما، جرم، تخلخل و روشنایی به صورت عددی با استفاده از روش تفاضل محدود در نرم افزار مطلب مدل سازی شده اند. نتایج نشان داد که مقادیر آزمایشگاهی و عددی مطابقت خوبی با یکدیگر دارند. سه پروفیل شار حرارتی پله ای صعودی با گام های زمانی مختلف به صورت آزمایشگاهی و عددی مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج تجربی نشان دادند که وضعیت تخلخل نان پخته شده با پروفیل شار حرارتی صعودی با چهار پله، منظم تر و میانگین مقادیر قطر و مساحت منافذ در تصاویر حاصل از عکس [1]SEM نسبت به پروفیل های مورد بررسی دیگر بیشتر می باشد. همچنین با توجه به نتایج تجربی و عددی مشاهده شد پارامتر مربوط به روشنایی سطح نان(L*) برای نان پخته شده با پروفیل شار حرارتی صعودی با چهار پله در محدوده مناسب می باشد.

    کلیدواژگان: انتقال گرما و جرم، نان مسطح متخلخل، شار حرارتی صعودی پله ای، تفاضل محدود، روشنایی نان
  • مقصود شلوندی*، مصطفی امیرمیران صفحات 379-388

    سازه های فراساحلی امروزه کاربرد بسیار گسترده ای در صنایع نفت، گاز دارند. هزینه های مربوط به ساخت، نگهداری در این سازه ها بسیار بالا است. ازاین رو یافتن روش های مقرون به صرفه برای انجام تعمیرات و تقویت این سازه ها به خصوص در صنایع زیر آب بسیار ضروری به نظر می رسد. چکش کاری فراصوتی یکی از روش های تنش زدایی مکانیکی است که از آن برای بالا بردن استحکام خستگی و مقاومت به خوردگی در اتصالات جوشکاری شده استفاده می شود. در این مقاله سعی شده است که از این روش در زیر آب استفاده شود و تاثیر آن بر روی استحکام خستگی، سختی سطح و ترک های سطحی در فولاد X52-5L جوشکاری شده به روش قوس الکتریکی بررسی شد. همچنین میزان اثر اعمال چکش کاری بر این فولاد در دو حالت زیرآب و در هوای آزاد مقایسه شده است. نتایج حاصل از آزمون خستگی نشان داد عمر خستگی در نمونه های چکش کاری شده در زیر آب به اندازه حدودا 2/25 درصد بهبودیافته و از 42383 سیکل به 50083 سیکل رسیده است در حالی که در نمونه های جوشکاری شده و چکش کاری شده در هوا حدود 5/10 درصدافزایش عمر خستگی وجود دارد. سختی سطح نیز در نمونه هایی که در زیر آب چکش کاری شده بودند به اندازه 14% و در نمونه هایی که در هوا چکش کاری شده بود به اندازه 12% افزایش یافت. عکس برداری با میکروسکوپ الکترون روبشی و مشاهده میکرو ترک های سطحی نیز نشان داد که با کاهش قابل توجه ترک های سطحی، تمرکز تنش نیز از بین می رود. می توان نتیجه گرفت عملیات  چکش کاری در زیرآب استحکام خستگی و سختی فولاد X52-5L را نسبت به عملیات چکش کاری در هوا افزایش می دهد.

    کلیدواژگان: اولتراسونیک پینینگ، فولاد X52-5L، خواص مکانیکی، میکروساختار.، عمر خستگی
  • علی پردل، محمد کاظمی نصرآبادی، بهنام معتکف ایمانی* صفحات 389-402

    در گذشته مقالات بسیار زیادی در زمینه ی شبیه سازی و پیش بینی زبری سطح در فرایندهای ماشین کاری به خصوص تراش کاری و فرزکاری منتشر شده اما تعداد مقالات در مورد فرآیند داخل تراشی بسیار محدود بوده و هم چنین پژوهش های موجود در این زمینه نیز اکثرا از روش های آماری استفاده نموده اند که تعمیم پذیری بالایی نداشته و نیاز به انجام آزمون های فراوانی دارند. در پژوهش پیش رو شبیه سازی زبری سطح در فرآیند داخل تراشی با استفاده از سینماتیک و دینامیک فرآیند مورد مطالعه قرار گرفته که با وجود استفاده در فرآیندهای تراش کاری، تاکنون در مورد فرآیند های داخل تراشی به کار برده نشده است. در روش ارایه شده در این پژوهش ابتدا پروفیل نوک ابزار توسط دستگاه CMM اندازه گیری شده و سپس از این پروفیل برای تولید سطح حاصل از سینماتیک فرآیند که مولفه ی تناوبی پروفیل زبری است، استفاده می شود. در قدم بعدی با توجه به این که در فرآیند داخل تراشی به دلیل طول بلند میله ی بورینگ ارتعاشات قابل توجهی وجود دارد، این ارتعاشات که در طول آزمایش توسط شتاب سنج اندازه گیری شده به صورت جابه جایی ابزار نسبت به قطعه کار به پروفیل تناوبی زبری تشکیل شده در مرحله ی قبلی اضافه می گردد. نتایج آزمایش های صحه گذاری انجام شده نشان داده است که روش توسعه داده شده در این مقاله خطایی معادل با حداکثر 19.3% را برای پارامترهای زبری تولید می کند که با توجه به پیچیدگی های فراوان مبحث زبری می توان عملکرد روش ارایه شده در این پژوهش را مناسب و کاربردی ارزیابی نمود.

    کلیدواژگان: داخل تراشی، زبری، پروفیل سطح، ارتعاشات، شبیه سازی
  • مجتبی دهقان*، فتح الله قدس، مهدی گردویی، حمیدرضا محمدیان سمنانی صفحات 403-414

    هدف از انجام این پژوهش، بهبود خواص استحکامی کامپوزیت هیبریدی چند لایه ی الیاف شیشه- آلومینیوم، با استفاده از ورق های آلومینیوم AA1050 فرآوری شده توسط فرآیند اتصال نورد انباشتی در ساخت کامپوزیت است. همچنین تاثیر مراحل مختلف فرآیند اتصال نورد انباشتی بر خواص استحکامی کامپوزیت هیبریدی مورد بررسی قرار گرفته است. ابتدا ورق آلومینیوم AA1050 تحت فرآیند اتصال نورد انباشتی قرار گرفت. سپس ریزساختار و خواص مکانیکی ورق توسط میکروسختی سنجی و آزمون کشش تک محور بررسی شد. در ادامه آلومینیوم فرآوری شده توسط فرآیند اتصال نورد انباشتی جهت ساخت کامپوزیت چندلایه آلومینیوم تقویت شده با الیاف شیشه مورد استفاده قرار گرفت. نحوه ی چیدمان اجزای کامپوزیت به صورت 1/2  (آلومینیوم-الیاف شیشه-آلومینیوم) بوده است. در پایان خواص کششی کامپوزیت هیبریدی بررسی شد. با انجام فرآیند اتصال نورد انباشتی سختی و استحکام ورق افزایش قابل ملاحظه ای می یابد. همچنین قابلیت ازدیاد طول ورق پس از کاهش شدید در مرحله ی اول، در ادامه به آرامی افزایش می یابد. استفاده از ورق آلومینیوم فرآوری شده توسط اتصال نورد انباشتی در ساخت کامپوزیت هیبریدی موجب بهبود قابل توجه استحکام کششی کامپوزیت می شود. در کامپوزیت هیبریدی ساخته شده از آلومینیوم آنیل شده، قسمت اعظم ازدیاد طول لایه ی آلومینیومی پس از شکست الیاف شیشه و در شرایط خارج از کامپوزیت هیبریدی روی می دهد. در نتیجه کاهش قابلیت ازدیاد طول ورق پس از فرآیند اتصال نورد انباشتی باعث می شود، طی آزمون کشش کامپوزیت هیبریدی لایه ی فلزی و الیاف شیشه تقریبا همزمان دچار شکست شوند و منجربه کاهش شکل پذیری کامپوزیت نمی شود. بنابراین کل جذب انرژی و چقرمگی شکست لایه ی آلومینیومی در شرایطی که کامپوزیت هیبریدی دچار شکست نشده است، به وقوع می پیوندد.

    کلیدواژگان: آلومینیوم، اتصال نورد انباشتی، کامپوزیت چندلایه آلومینیوم تقویت شده با الیاف شیشه، خواص کششی
  • ابراهیم مظفری، سعید امینی* صفحات 415-428

    مقدار بالای نیتروژن در ترکیب فولاد زنگ نزن مارتنزیتی AISI 440C گرچه منجر به بهبود مقاومت به خوردگی می شود، ولی به دلیل افزایش سختی، قابلیت ماشینکاری این نوع فولاد را کاهش داده و باعث تولید حرارت زیاد در لبه برنده و منطقه تماس براده و ابزار هنگام براده برداری می شود. استفاده از فن آوری های نوین خنک کاری مانند ماشینکاری برودتی با استفاده از نیتروژن مایع LN2، منجر به افزایش طول عمر ابزار، بهبود سرعت برشی و نرخ برداشت مواد نسبت به سایر روش های متداول خنک کاری همچون سیال برشی و MQL می شود. در این تحقیق تاثیر فرایند ماشینکاری برودتی فولاد زنگ نزن AISI 440C بر زبری سطح، سختی سطحی و پروفیل سختی در عمق، شکل شناسی براده و الگوی سایش ابزار در مقایسه با ماشینکاری خشک مورد بررسی قرار می گیرد. نتایج نشان داد با استفاده از ماشینکاری برودتی زبری سطح فولاد زنگ نزن AISI 440C حتی در سرعت پیشروی بالا به میزان قابل توجهی کاهش و صافی سطح بهبود یافته است. در مبحث شکل شناسی براده مشخص شد با تسهیل شرایط ماشینکاری در فرایند برودتی در یک سرعت برشی و سرعت پیشروی یکسان، میزان سوختگی سطحی براده و میزان چروکیدگی و انباشت مواد در سطح داخلی براده به طور قابل توجهی کاهش یافته است. در این تحقیق مشخص شد الگوی سایش ابزار در ماشینکاری برودتی، گودال فرسایش در سطح براده بوده و باعث افزایش 400 درصدی طول عمر ابزار در شرایط یکسان ماشینکاری نسبت به روش خشک شده است.

    کلیدواژگان: ماشینکاری برودتی، نیتروژن مایع، فولاد زنگ نزن AISI 440C، زبری سطح، میکروسختی سنجی، سایش ابزار _
|
  • Farhad Rajaei, Khalil Alipour*, Bahram Tarvirdizadeh, Alireza Hadi, Hossein Valiyanholagh Pages 353-365

    Human ankle-foot gait is the result of a complex interaction between nerves and muscles. A significant number of prosthetic ankle-foots (passive, semi-active, active) have been designed to restore an identical function of a real limb. Excluding passive and semi-active prosthesis who couldn’t generate any positive work, one of the biggest challenges in creating these prostheses is providing the needed power and energy during movement. Supplying this power and energy, requires a high-torque and high-power actuator having high weight, thereby causing a dramatic increase in the weight and size of that prostheses. In this paper, a combination of an active actuator (an electrical motor) and an passive stimulus (a spring) is utilized, which decrease the needed power and energy, and in addition to walking mode can also support running mode up to 2.5m/s. Accordingly, The first stage of this article includes mechanical modeling of the ankle and evaluation of efficiency and power consumption in all presented models. Then the structure of Series Elastic Actuator differed with the previous structures is selected as the best combination.  In this opted structure, power and energy consumption is dramatically declined up to 58% and 26% in walking mode and 64% and 57% in running mode. Consequently, a lighter motor and battery can supply the required power, so the prosthesis chr(chr('39')39chr('39'))s weight is subtracted.

    Keywords: Disabled People, Rehabilitation Robots, Prosthetic Ankle-Foot, Ankle Mechanical Model, Optimization of Power, Energy
  • Hadi Afkar, Ali Kianifar*, Hosein Zamani Pages 367-378

    Flatbreads have a small thickness and flat surface and, unlike bulk breads, are only used in few countries such as Iran. Given the lack of research on this type of bread, the objective of this study was to numerically and experimentally investigate the porosity and surface brightness of flatbreads baked under different ascending step heat flux profiles. In order to investigate the effect of different heat flux profiles on the baking process of porous flatbread, the required breads were baked in a laboratory-scale device and the equations of heat and mass transfer, porosity, and brightness were numerically modeled using the finite difference method in MATLAB. The results showed were suggestive of the good consistency between the experimental and numerical values. A total of 3 ascending step heat flux profiles with different time steps was experimentally and numerically investigated. The results also showed that the porosity of the bread baked under an ascending heat flux profile with 4 steps was more regular and that the average diameter and area of porosities obtained from the SEM imaging were higher in this profile compared to the other profiles. Moreover, based on the experimental and numerical results, the surface bright parameter (L*) was within the appropriate range for the breads baked under the ascending heat flux profile with 4 steps.

    Keywords: Heat, mass transfer, Porous flat bread, ascending step heat flux, Finite difference, Lighting bread
  • Maghsoud Shalvandi*, Mostafa Amirmiran Pages 379-388

    Offshore structures are widely used in the oil and gas industry. Since construction and maintenance costs in these structures are very expensive, therefore, it seems necessary to find cost-effective methods to repair and strengthen these structures, especially in the offshore industry. Ultrasonic peening is one of the mechanical stress relief methods used to increase fatigue strength and corrosion resistance in welded joints. In this paper, this method was implemented in both air and underwater atmosphere and the treatment effect on fatigue strength was investigated, also surface hardness and surface cracks in X52-5L welded steel was investigated. The effect of peening on this type of steel has been compared in both underwater and outdoor conditions. The results of the fatigue test showed that the fatigue life of underwater peened specimens was improved by approximately %25.2 and it changes form 42383 cycle up to 50083 cycle while in welded specimens with the same condition and peened in air condition, there is about %10.5 increase in fatigue life. Surface hardness also increases by %14 in underwater peened samples and by %12 in air-peened samples. SEM microscopy and observation of surface micro cracks also showed reduction of surface cracks after peening. Subsequently and loss of stress concentration was shown. It can be concluded that underwater peening increases the fatigue strength and hardness of X52-5L steel compared to air peening.

    Keywords: Ultrasonic peening, X52-5L carbon steel, mechanical properties, microstructure., Fatigue Life
  • Ali Pordel, Mohammad Kazemi Nasrabadi, Behnam Moetakef-Imani* Pages 389-402

    Although there have been several research work  published in the field of simulating and predicting the surface roughness of machining processes, most of them are limited to turning and milling operations.  A few number of studies concerning the internal turning processes is very limited. Furthermore, the existing publications in this field have implemented statistical approaches which not only clearly lack in generality, but also require a huge amount of experiments. In the current research, the simulation of surface roughness has been investigated by using kinematics and dynamics of the process. Despite the numerous applications of this approach in turning operations, this approach has not applied in the internal turning processes. In order to implement the proposed approach, firstly the insert nose profile of the tool has been measured. Then, the surface profile consisting the periodical component of feed marks has been constructed. In the next step, excessive amount of vibrations imposed by the long boring bar have been measured by an accelerometer, which are then converted to displacements and added to the periodical component of the roughness profile. Results obtained from internal turning experiments show that the developed simulation approach has a maximum error of 19.3% in estimating roughness parameters which can be considered as a reasonably accurate results due to the complicated nature of surface roughness.

    Keywords: Internal turning, roughness, surface profile, vibrations, simulation
  • Mojtaba Dehghan*, Fathallah Qods, Mahdi Gerdooei, Hamidreza Mohammadian Semnani Pages 403-414

    The aim of this study is to improve the strength properties of glass-aluminum multilayer hybrid composite using AA1050 aluminum sheets processed by the accumulative roll bonding (ARB) process. Also, the effect of different cycles of ARB process on the strength properties of hybrid composite has also been investigated. At first, the ARB process was applied on the AA1050 sheet. Afterwards, the microstructure and tensile properties of the ARB deformed sheets were investigated. Then, the ARB processed AA1050 sheets were used to make glass reinforced aluminum laminate (GLARE). In the end, the tensile properties of the GLARE composite were examined. By the progress of the ARB process, the hardness and strength of the sheet increased. The elongation of the first cycle processed specimens dropped drastically. But, by increasing the process cycles, the elongation increased gradually. The use of the ARB processed aluminum sheet in the manufacture of GLARE composite significantly improved the tensile strength of the GLARE. In the GLARE made of annealed aluminum, most of the elongation of the aluminum layer occurred after the breaking of the glass fibers and in conditions outside the GLARE composite; as a result, the reduction of the sheet elongation during the ARB process caused the simultaneous failure of the metal layers and the glass fibers during the tensile test of the GLARE. Hence, this event did not reduce the ductility of the composite. In other words, the total energy absorption and fracture toughness of the aluminum layers occurred when the GLARE had not failed.

    Keywords: Aluminum, Accumulative Roll-Bonding (ARB), Glass Reinforced Aluminum Laminate (GLARE), Tensile Properties
  • I. Mozaffari, Saeid Amini * Pages 415-428

    The high amount of nitrogen in the composition of AISI 440C stainless steel reduces the machinability of this steel due to the increase in hardness and generates high heat at the cutting edge and the chip-tool contact area. The use of new cooling technologies such as cryogenic machining using liquid nitrogen LN2, leads to increase the life of the tool and improve the cutting speed compared to other common methods. In this research, the effect of cryogenic machining is investigated on roughness and hardness of AISI 440C stainless steel. The results showed that using cryogenic machining, the surface roughness of AISI 440C stainless steel was significantly reduced even at high feed rate. The morphology of the chips showed that with the use of cryogenic machining, the surface burn and the accumulation of materials on the inner surface of the chips has been significantly reduced. In this study, it was found that in cryogenic machining, the tool wear pattern is the erosion pit on the chip surface and has increased the tool life by 400% compared to the dry machining.

    Keywords: Cryogenic Machining, Liquid Nitrogen, AISI 440C Stainless Steel, Roughness, Hardness, Tool Wear