فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک مدرس
سال بیست و یکم شماره 9 (شهریور 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/05/18
  • تعداد عناوین: 6
|
  • محمدجواد فرحمند حبیبی، علی حسنی*، علی معظمی گودرزی صفحات 575-587

    در پژوهش حاضر، به بررسی توزیع تنش و کرنش ناشی از گرادیان حرارتی در لوله تابنده از یک نمونه مشعل تابشی پرداخته می شود. در طرح این مشعل، دریچه های خروجی متعددی در جداره لوله تابنده تعبیه شده است و سیال حاصل از احتراق در کوره از این دریچه ها تخلیه می شود. برای این مشعل سه نمونه لوله تابنده استوانه ای با طول، قطر، ضخامت و جنس یکسان که در هرکدام طرح دریچه های خروج سیال متفاوت است، مدل سازی شده است. به منظور شبیه سازی رفتار مکانیکی لوله های تابنده موردمطالعه، پس از مدل سازی هندسی و با لحاظ کردن جنس لوله و شرایط مرزی، از مجموعه نرم افزار تجاری انسیس بهره گرفته شده است. شرایط مرزی جهت حل عددی از نتایج آزمون های تجربی استخراج شده است. با توجه به میانگین سرعت سیال درون لوله تابنده، جریان در محدوده آشفته قرار می گیرد. به منظور به دست آوردن نمودار تنش-کرنش آلیاژ مورد آزمون از حل روابط رامبرگ-ازگود بهره گرفته شده است. از حل برهمکنش سیال-جامد توسط نرم افزار تجاری انسیس، بهترین طرح ازنظر حداقل بودن مقادیر تنش فون میزز نتیجه گیری شده است. همچنین با حذف بار حرارتی از قطعه در گام بعدی، تنش های پسماند پدید آمده در نمونه ها توسط نرم افزار محاسبه می گردد. به منظور نشان دادن صحت حل، چند نمونه از این مشعل ساخته و موردبررسی قرارگرفته تا نتایج حاصل از آن ها تایید کننده حل عددی باشد.

    کلیدواژگان: تنش و کرنش حرارتی، شبیه سازی برهم کنش سیال-جامد، مشعل لوله تابشی، تست آزمایشگاهی
  • محمد مهدی شهریاری فرد، محمد گلزار*، گونار تیبرت صفحات 589-600

    دوپایدارهای کامپوزیتی به‎دلیل ویژگی منحصر به‎فرد در تغییر شکل بدون نیاز به انرژی پیوسته طرفداران زیادی در صنعت به خصوص صنایع هوافضا پیدا کرده است. مزیت استفاده از این سازه‎ها، خاصیت جمع‎شوندگی در عین دستیابی به طول‎های بلند و سفتی بالا نسبت به وزن در راستای طول است. این ویژگی منحصر به‎فرد در کنار مزایای دیگر کامپوزیت‎ها همچون، استحکام ویژه بالا، سبکی و صلبیت بالا، موجب شده که در کاربردهای زیادی همچون بوم‎های بازشونده، آنتن و صفحات خورشیدی ماهواره از آن‎ها استفاده شود. در این مقاله اثرات شرایط محیطی مختلف بر دوپایداری سازه دوپایدار کامپوزیتی مورد بررسی قرار گرفته است. برای توضیح رفتار مکانیکی نوار دوپایدار کامپوزیتی (BiTS) در محیط‎های مختلف، مدل مقایسه‎ای دوبعدی متشکل از عضوهای میله‎ای صلب، فنرهای الاستیک و میراگرهای ویسکوز پیشنهاد شده است. روابط نیرو و انرژی حاکم بر مدل دوبعدی به‎دست آمد و از آن برای رسم منحنی انرژی کرنشی بی‎بعد در طول مسیر تغییر شکل برحسب متغیرهای مسئله استفاده شد. برای صحت‎سنجی رفتار مدل میله-فنر-میراگر دوبعدی در شرایط ترمو-ویسکوالاستیک، چهار BiTS ساخته شده از مواد کامپوزیتی در معرض یک چرخه خاص ترمو-ویسکوالاستیکی قرار گرفتند. مدل دوبعدی، قادر به بیان آسان‎تر پدیده دوپایداری در شرایط ترمو-ویسکوالاستیک است. نتایج حاصل از آزمایش تجربی حکایت از همخوانی رفتار دوپایدار مدل میله-فنر-میراگر دو‎بعدی در شرایط ترمو-ویسکوالاستیک دارد.

    کلیدواژگان: دوپایدار، کامپوزیت، ترمو-ویسکوالاستیک، میله-فنر-میراگر، انرژی کرنشی بی‎بعد
  • یوسف ملاپور، اسماعیل پورسعیدی* صفحات 601-613

    در این پژوهش به بررسی توزیع تنش در حفره های خوردگی روی پره ی کمپرسور توربین گازی به روش المان مرزی پرداخته می شود. در این راستا ابتدا نمونه ی خمش دو نقطه ای از جنس پره ی کمپرسور توربین گازی ساخته شده و به کمک آزمون پتانسیو استاتیک تحت پتانسیل mVSCE 350 در محلول 5/3 درصد وزنی سدیم کلرید قرار می گیرد تا نمونه در محل خمش بیشینه دچار خوردگی حفره ای شود. سپس عمق حفره های رشد یافته با استفاده از دستگاه ادی کارنت محاسبه می شود. با شبیه سازی نمونه ی تحت خوردگی حفره ای در نرم افزار کامسول و تطابق نتایج آن با نتایج دستگاه ادی کارنت مشخص شد که شبیه سازی تا حد زیادی می تواند جایگزین تست آزمایشگاهی شود. برای محاسبه ی توزیع تنش کششی در مقطع عرضی نمونه ی تحت خوردگی حفره ای، گسسته سازی معادله ی لاپلاس حاکم بر نمونه انجام شد. با حل معادلات گسسته سازی شده و مقایسه ی آن ها با نتایج نرم افزار کامسول نتایج یکسانی بدست آمد. با توجه به نتایج، حفره تمایل دارد به صورت سطحی رشد کند. این یعنی رشد سطحی حفره از رشد آن در جهت عمق بیشتر است. دلیل این امر این است که در نزدیکی سطح نمونه، تنش کششی و پتانسیل الکتریکی زیاد است و همچنین واکنش های شیمیایی و خوردگی در نواحی نزدیک به سطح حفره بیشتر است.

    کلیدواژگان: خوردگی حفره ای، آلیاژ CUSTOM 450، توزیع تنش، روش المان مرزی، پره کمپرسور
  • هادی پروز*، مهدی حیدری، سید وحید حسینی صفحات 615-628

    مقادیر نیروهای عکس العمل در قید و بندها جزو پارامترهای اساسی در مراحل طرح ریزی و طراحی المان های قید و بند به شمار می رود. مقدار این نیروها در هریک از نقاط جاسازی ثابت نبوده و تابعی از مقدار و جهت نیروی برآیند بست (به عنوان نیروی گذرا) و نیرو و گشتاور ماشین کاری (به عنوان نیروی فعال) است. از آنجا که بزرگی، موقعیت و جهت نیرو و گشتاور ماشین کاری در هر لحظه متغیر است، مطالعه اثر آن بر روی نیروهای عکس العمل، فرآیندی پیچیده به شمار می رود. در این مقاله، یک مدل تحلیلی برای بررسی اثر نیروها و گشتاور ماشین کاری بر روی مقادیر برلحظه نیروهای عکس العمل در جاسازها ارایه شده است. در این مدل، ابتدا مقادیر و جهت نیروها و گشتاورهای ماشین کاری در هرلحظه بر روی مسیر حرکت ابزار محاسبه شده و سپس با استفاده از این پارامترها به عنوان ورودی مدل تحلیلی، مقادیر برلحظه نیروهای عکس العمل در هریک از جاسازهای شش گانه محاسبه شده است. آنالیز المان محدود برای صحت سنجی مقادیر پیش بینی شده توسط مدل تحلیلی اجرا شده است. برای این منظور، کدهای لازم نوشته شده و مقادیر نیروهای عکس العمل بدست آمده از شبیه سازی با مقادیر متناظر آن ها از مدل تحلیلی مقایسه شده است. یک قطعه کار سه بعدی با سیستم جاسازی 1-2-3 که تحت عملیات فرزکاری قرار گرفته است، به عنوان مطالعه موردی برای بررسی کارایی مدل پیشنهادی استفاده شد. بیشینه مقدار خطا در محاسبه نیروهای عکس العمل از مدل تحلیلی پیشنهادی برابر با 9/10 درصد بدست آمد که بیانگر دقت بالای نتایج تحلیلی است.

    کلیدواژگان: آنالیز نیرویی، جاسازی، قید و بند، نیروی عکس العمل، نیروی ماشین کاری
  • علیرضا با صحبت نوین زاده*، زهرا عرب تلگرد صفحات 629-640

    در این مقاله، به مدلسازی ریاضی، ساخت، کنترل و پیاده سازی سیستم دینامیکی مکعب یک درجه آزادی با عملگر چرخ عکس العملی، پرداخته شده است. نوآوری این مقاله پیاده سازی کنترل کننده تناسبی- انتگرالی- مشتقی روی سیستم تجربی مکعب یک درجه آزادی با چرخ عکس العملی است. ابتدا معادلات مربوط به سیستم بیان می شوند، سپس سیستم در حوزه زمان و فرکانس تحلیل می شود. پس از آن به طراحی کنترل کننده تناسبی- انتگرالی- مشتقی و پیاده سازی آن روی سیستم ساخته شده پرداخته خواهد شد. پاسخ سیستم در شش مرحله به ازای بهره های کنترلی مختلف مقایسه می شود. بهره های بهترین پاسخ یعنی بهره تناسبی 20-، بهره انتگرالی 30- و بهره مشتقی 3- در پاسخ های تیوری سیستم دارای 1 درجه فراجهش و در پاسخ تجربی 7 درجه فراجهش است. خطای ماندگار سیستم برای هر دو حالت تجربی و تیوری صفر است. زمان برخاست شبیه سازی تیوری 10 گام زمانی، که هر گام زمانی برابر با 0.001 ثانیه، و پاسخ تجربی سیستم 10 گام زمانی است. زمان نشست شبیه سازی نیز 180 گام زمانی و پاسخ تجربی 100 گام زمانی است. در مرحله بعد، پایداری کنترل طراحی شده با بهره های انتخابی از مرحله پیشین از طریق وارد کردن اغتشاش مورد آزمایش قرار گرفته است و سیستم بعد از یک فراجهش 4 درجه ای پایدار شده است. با تغییر زاویه صفحه زیرین فراجهش پاسخ 3 درجه خواهد بود ولی سیستم همچنان پایدار باقی می ماند.نتایج کنترل نشان می دهد که سیستم ساخته شده به خوبی پایدار شده و پاسخ های زمانی مناسب به دست آمده است.

    کلیدواژگان: کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی، چرخ عکس العملی، مکعب یک درجه آزادی، پیاده سازی کنترل
  • ایثار قمری*، محمدسعید سیف، حمیدرضا محمودی صفحات 641-650

    حرکت رول یکی از مهمترین و خطرناکترین حرکات شناورها میباشد و در برخی مواقع حتی میتواند عامل اصلی کپسایز شدن و غرق شدن شناور نیز باشد. از این رو کنترل این مد حرکت شناور همیشه مورد توجه محققین صنایع دریایی بوده است. از میان روش ها و تجهیزات مختلف برای کنترل این حرکت شناور، استفاده از مخازن رول سطح آزاد یکی از روش های مورد توجه بوده است که به دلیل سادگی در ساخت و طراحی در بسیاری موارد مورد استفاده قرار میگیرد. کارآیی بالای این مخازن در همه سرعتها و حتی بدون سرعت شناور از نقاط قوت دیگر این مخازن میباشد. این مطالعه به بررسی عددی و آزمایشگاهی اثر مخازن ضد رول سطح آزاد، بر روی ممان رولینگ می پردازد. در شبیه سازی عددی بخش اسلاشینگ، یک حلگر دینامیک سیالات محاسباتی، بر اساس بسته ی نرم افزاری" Open source Field Operation And Manipulation"، که مخفف آن Open-FOAM است و با فرض شرایط جریان آرام دو بعدی، به منظور محاسبه ی بار های اسلاشینگ مخزن، تنظیم شده و مورد استفاده قرار گرفت. میرایی و ممان رولینگ پیش بینی شده ی ناشی از مخزن ضد رول با نتایج آزمایشگاهی، اعتبار سنجی شده است. این شبیه ساز را می توان به عنوان شبیه ساز اسلاشینگ به صورت جفت شده با حلگرهای دریامانی استفاده کرد.

    کلیدواژگان: مخازن ضد رول سطح آزاد، اسلاشینگ، ممان رول، OpenFOAM
|
  • MohamedJavad Farahmand, Ali Hassani*, Ali Moazemi Goudarzi Pages 575-587

    In present study, the stress and strain distributions due to the radiant gradient in some radiant tube burners have been investigated. In the design of the burner, several outlet valves are mounted on the wall of the burner tube and the combustion-produced fluid is discharged by the outlets into the furnace. For this purpose, three cylindrical radiant tubes with the same length, diameter, thickness and material and difference in design of fluid outlets are modeled. To simulate the mechanical behavior of the pipes, after the geometric modeling and considering the pipe material and boundary conditions, ANSYS commercial software has been used. The boundary conditions for numerical solution are extracted from the results of the experimental tests. Due to the average fluid velocity within the radial tube, the fluid flow falls into the turbulent range. In order to obtain the stress-strain diagram of the tested alloy, the Ramberg-Osgood equation is used. Due to the solution of the fluid-solid interaction by ANSYS, the best design is concluded through the Von-Mises stress minimum values. Also, by removing the thermal load from the next load step, the residual stresses generated in the samples are calculated. To illustrate the accuracy of the solution, some specimens of the burner have been made and evaluated to verify the numerical solution.

    Keywords: Thermal Stress, Strain, Modeling of the Fluid-Solid Interaction, Radiant Tube Burner, Experimental Tests
  • Mohammadmahdi Shahryarifard, Mohammad Golzar*, Gunnar Tibert Pages 589-600

    Bistable composites have gained increased attentions in industry, especially in the aerospace industry, due to their unique feature of shape-changing without the need for continuous energy. The advantage of using these structures is their ability to package in small size, whilst deploying in long lengths and high stiffness ratio along the length. This unique feature, along with the advantages of other fiber reinforced composites such as high strength, light weight and high rigidity, has made them a good choice for many applications such as deployable booms and antennas for satellites. In this paper, the bistablility of shell structures at different time-temperature conditions are investigated. To explain the mechanical behavior of the Bistable Tape Springs (BiTSs) in different conditions, an analogous 2D model consist of rigid linkages, elastic springs and viscous dampers is proposed. The relationships between the force and energy through the transition path for the 2D model were established and the non-dimensional strain energy paths for different initial parameters were obtained, accordingly. As a case study, four BiTSs made of composite materials are fabricated and subjected to a particular thermo-viscoelastic condition to verify all stability behaviors of the 2D LSD model under thermo-viscoelastic conditions.

    Keywords: bistable, composite, thermo-viscoelastic, link-spring-dashpot, non-dimensional strain energy
  • Yousef Mollapour, Esmaeil Poursaeidi* Pages 601-613

    The aim of this paper is to investigate the growth of pitting corrosion in CUSTOM 450 stainless steel and to obtain strain values in growing pits at the maximum bending region. In this regard, a two-point bending specimen was made and subjected to a potentiostatic test under the potential of 350 mVSCE in the 3.5 wt% sodium chloride solution. Then, the depth of the grown pits is calculated using Eddy Current device. By simulating a sample under the pitting corrosion in COMSOL Multiphysics software and matching its results with the results of the Eddy Current device, it was found that the simulation can largely replace the laboratory test. To calculate the tensile stress distribution in the cross section of the sample under pitting corrosion, the Laplace equation governing the sample was discretized. The same results were obtained by solving the discrete equations and comparing them with the results of COMSOL Multiphysics software. According to the results, the pit tends to grow superficially. This means that the surface growth of the pit is greater than its growth in the direction of depth. This is due to the fact that near the sample surface, tensile stress and electrical potential are high, as well as chemical reactions and corrosion in areas near to the pit surface.

    Keywords: Pitting Corrosion, CUSTOM 450 Alloy, Stress Distribution, Boundary Element Method, Vompressor Blade
  • Hadi Parvaz*, Mehdi Heidari, Seyed Vahid Hosseini Pages 615-628

    The magnitude of reaction forces in locating points is considered as one of the basic parameters in the fixture planning and element design stages of the fixture design procedure. The magnitude of these forces depends on the intensity, position, and orientation of the transient clamping and active machining forces and torque. Analysis of the effect of machining force and torque on reaction forces is a complex process because the magnitude, position, and orientation of machining loads change at any given time. In this paper, an analytical model is presented to investigate the effect of machining loads on online values​​ of reaction forces in the contact points between the workpiece and the fixturing elements. The magnitude ​​and direction of machining forces and torque are calculated on the tool path and using these parameters as inputs to the analytical model, the reaction forces are calculated in each of the six locators at each moment. A finite element analysis is performed to validate the values predicted by the analytical model. For this purpose, the necessary subroutines are prepared and the values ​​of the reaction forces obtained from the simulation are compared to their corresponding values ​​from the analytical model. A three-dimensional workpiece with a 3-2-1 locating system was used as a case study to evaluate the performance of the proposed model. The maximum error in calculating the reaction forces was obtained as 10.85% from the proposed analytical model which indicates the accuracy of the theoretical predictions.

    Keywords: Force Analysis, Locating, Jig, Fixture, Reaction Force, Machining Load
  • Alireza Basohbat Novinzadeh*, Zahra Arabtelgerd Pages 629-640

    In this paper, the mathematical modeling, construction, control, and implementation of a one-degree-of-freedom cube dynamic system with a reaction wheel actuator will be discussed. The innovation of this paper is the implementation of the proportional-integral-derivative controller on the experimental system of one degree of freedom with a reaction wheel. First, equations of system are expressed, then the system is analyzed in time and frequency domain. Then, the proportional-integral-derivative controller will be designed and implemented on the constructed system. The system response is compared in six steps for different control gains. The control gains of the best answer are proportional gain of -20, integral gain of -30 and derivative gain of 3- in system theory answers it has 1 degree of superiority and in experimental answer it has 7 degrees of overshoot. The steady-state error is zero for both experimental and theoretical system. The rise time of the simulation theory is 10 time steps, each time step is equal to 0.001 seconds, and the experimental response of the system is 10 time steps. The simulation session time is 180 time steps and the experimental response is 100 time steps.. In the next step, the stability of the control designed with the selected gains from the previous step is tested by inserting the perturbation, and the system is stabilized by 4 degrees overshoot. By changing the angle of the bottom plane, the response will have 3 degrees overshoot, but the system will remain stable.

    Keywords: PID controller, reaction wheel, one DOF cube, control implementation
  • Isar Ghamari*, MohammadSaeid Seif, HamidReza Mahmoudi Pages 641-650

    Roll motion is one of the most important and dangerous motions of the ship and can even result in capsizing of the vessel. Therefore, its control has been always of interest for marine industry researchers. Among the various methods and equipment for controlling the roll motion, the use of free surface anti-roll tanks has been one of the most important methods and which used in many cases due to its simplicity in construction and design. The high efficiency of these tanks at all speeds and even without speed is another strength of these tanks. This study investigates the effect of the free surface anti-roll tank on the roll motion numerically and experimentally. In the numerical simulation, a CFD sloshing solver, based on the “Open source Field Operation And Manipulation”, known in short as Open-FOAM, and assuming 2D laminar flow conditions, is customized to calculate the sloshing loads from the tank. The predicted roll damping and moments due to the anti-roll tank are validated against experimental results. This simulator could be used as a sloshing simulator to couple with seakeeping solvers.

    Keywords: Free-Surface anti-roll tanks, sloshing, Roll moment, OpenFOAM