فهرست مطالب

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و سوم شماره 4 (تیر 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/04/01
  • تعداد عناوین: 19
|
  • پگاه ق، قنبری، مصطفی تقی زاده*، محمود مزارع صفحه 1

    در این مقاله عملکرد یک ربات موازی چهار درجه آزادی با حرکت شون فلیس بررسی شده است. اینرسی پایین این ربات، مزیتی برای کاربری جابجایی اشیاء سبک است. این کاربرد، عموما سرعت و شتاب بالایی نیاز دارد؛ لذا عملکرد دینامیکی ربات از اهمیت بالایی برخوردار است. از طرفی در ربات های موازی، فضای کار محدود بوده و تکینگی های درون آن، فضای کاری را محدودتر نیز می کنند. از این رو با تمرکز بر دو حوزه سینماتیک و دینامیک، رفتار عملکردی ربات در فضای کار مورد مطالعه قرار گرفته است. به منظور انجام تحلیل سینماتیک، با استفاده از روش هندسی، معادلات قید استخراج و سپس با تحلیل سرعت، ماتریس های ژاکوبین تعیین شده اند. فضای کار ربات با لحاظ نمودن معادلات قید و محدودیت مفاصل به صورت جستجوی نقطه به نقطه فضا، به دست آمده و با مطالعه ماتریس های ژاکوبین معکوس و مستقیم، وضعیت و نوع تکینگی ها درون فضای کار تعیین شده است. در ادامه، معادلات دینامیکی حاکم بر ربات به روش اویلر- لاگرانژ استخراج، و نتایج حل مسایل سینماتیک و دینامیک با خروجی شبیه سازی مکانیزم در نرم افزار ادمز اعتبارسنجی شده است. علاوه بر این به منظور ارزیابی عملکرد ربات، زوایای فشار برای نشان دادن کیفیت انتقال حرکت/ نیرو و شاخص های مبتنی بر ماتریس اینرسی برای به تصویرکشیدن رفتار دینامیکی به کارگرفته شده است.

    کلیدواژگان: ربات موازی چهار درجه آزادی، حرکت شونفلیس، سینماتیک، دینامیک، ارزیابی عملکرد
  • حامد بیگلری، وحید فخاری* صفحه 2

    این مقاله، به بررسی تاثیر روش میرایی شانت در کاهش ارتعاشات صفحه ای پره توربین باد محور افقی مقیاس کوچک، با درنظرگرفتن کوپلینگ میان ارتعاشات داخل و خارج از صفحه پره می پردازد. ابتدا با استفاده از روش لاگرانژ، معادلات دیفرانسیل غیرخطی حاکم بر دینامیک پره به همراه میراگر شانت استخراج می گردند. سپس، مدل دینامیکی مذکور با مقایسه فرکانس طبیعی حاصل از حل عددی معادلات با مقدار متناظر به دست آمده از یک نرم افزار المان محدود، اعتبارسنجی می گردد. در ادامه، با انجام آنالیز حساسیت و انتخاب تابع هدف و قیود مناسب، پارامترهای میراگر شانت با استفاده از روش الگوریتم ژنتیک برای یک پره واقعی بهینه سازی می گردند. لازم به ذکر است که در این پژوهش، نیروی باد اعمالی به پره به صورت سینوسی و با فرکانس متغیر، در چهار سرعت مختلف در نظر گرفته می شود. پس از حل معادلات دینامیکی حاکم، به منظور ارزیابی موثربودن روش مذکور در کاهش ارتعاشات، نتایج حاصل از این پژوهش با نتایج حاصل از به کارگیری میراگر جرمی تنظیم شده بهینه برای کاهش ارتعاشات صفحه ای پره، مقایسه می گردد. نتایج مقایسه نشان می دهد که هر دو روش تاثیر مطلوبی در کاهش ارتعاشات دارند. همچنین در سرعت های باد پایین میرایی شانت تاثیر بیش تری در کاهش ارتعاشات دارد.

    کلیدواژگان: پره توربین باد، کاهش ارتعاشات صفحه ای، میرایی شانت، بهینه سازی، کوپلینگ ارتعاشات
  • شاهین هاشمی پور موسوی، عباس احسانی سرشت* صفحه 3

    اغلب ربات های پیوسته دارای ستون فقرات منطعف و تغییرشکل پذیر هستند. از این رو، تحت بارگذاری های داخلی و خارجی، دچار تغییرشکل می شوند و انرژی پتانسیل قابل ملاحظه ای در آن ها ذخیره می شود. در نتیجه، این ربات ها در معرض پدیده هایی همچون ناپایداری[1] و جهش[2] قرار دارند. جهش زمانی رخ می دهد که با تغییر نیروهای اعمالی، ربات به انتهای ناحیه ی پایدار خود برسد و به صورت غیرقابل کنترل از وضعیت تعادل ناپایدار به وضعیت تعادل پایدار خود حرکت کند. جهش در ربات های پیوسته پدیده ای نامطلوب و مضر است. بنابراین پیش بینی وقوع آن بسیار حاثز اهمیت است. با این حال، عمده ی مطالعات انجام شده در حوزه ی ربات های پیوسته بر طراحی، تحلیل سینماتیک و دینامیک این ربات ها معطوف بوده و تحقیقات در زمینه ی پایداری این ربات ها محدود است. در این مقاله، تحلیل پایداری دسته ای از ربات های پیوسته با محرک های کابلی مورد توجه قرار می گیرد. برای این منظور ابتدا به کمک روابط تعادل استاتیکی، وضعیت (های) تعادل ربات تحت بارگذاری های داخلی و خارجی تعیین می شود. سپس با تشکیل ماتریس سفتی برای ربات، پایداری ربات و شرایط وقوع پدیده ی جهش بررسی می شود. به منظور ارزیابی صحت مدل استاتیکی، از آزمایش های تجربی استفاده می شود. همچنین با انجام شبیه سازی، احتمال وقوع جهش در ربات های مذکور بررسی می شود. بعلاوه، تاثیر مقدار نیروی خارجی، جهت گیری ربات در فضا و سطح مقطع ستون فقرات ربات بر  فضای کاری و وقوع جهش در ربات مطالعه می شود.

    کلیدواژگان: ربات های پیوسته، پدیده ی جهش، توان مجازی، ماتریس سفتی، پایداری
  • سید علیرضا قریشی، امیر فرهاد احیائی*، مهدی رحمانی صفحه 4

    در این مقاله ابتدا مدلسازی ریاضی و سه بعدی یک بازوی رباتیک سه پا با قابلیت حمل اجسام در سطوح ناهموار ارایه می شود، سپس با در نظر گرفتن اغتشاشات محیط و نویز، روش کنترلی مناسبی پیشنهاد می شود. کنترل این ساختار به دلیل دینامیک غیرخطی و خاص آن و حضور اغتشاشات و تاثیرات محیطی مساله ای بسیار مهم و پیچیده است و کنترلر ربات باید قادر باشد تا در سریعترین زمان ممکن ضمن غلبه بر اغتشاشات و نویز محیط، ربات را در وضعیت مناسب قرار دهد. در این راستا، در مقاله حاضر روش کنترل مدلغزشی هیپربولیک دوگانه بر مبنای فیلتر کالمن خنثی برای سیستم های رباتیک سه پا شامل بازو توسعه داده شده و پایداری سیستم با بکارگیری تیوری توابع لیاپانوف اثبات می شود. در طراحی کنترلر پیشنهادی ضمن در نظر گرفتن اغتشاش در مدل دینامیکی سیستم از فیلتر کالمن خنثی برای کاهش اثر نویز بهره گرفته شده است که خود سبب بهبود عملکرد مقاوم سیستم در شرایط سخت می شود. در انتها عملکرد کنترلر ارایه شده در مقایسه با دو کنترلر دینامیک معکوس و کنترل مدلغزشی انتگرالی بر روی سیستم رباتیک انتخابی مورد ارزیابی قرار می گیرد که نتایج، نشان دهنده سرعت عمل و دقت بیشتر در پاسخ سیستم است.

    کلیدواژگان: بازوی متحرک رباتیک، ربات سه پا، کنترل مد لغزشی، سطح لغزش هیپربولیک دوگانه، فیلتر کالمن خنثی
  • آنا باورساد، احمد فخاریان*، محمدباقر منهاج صفحه 5

    امروزه پیشرفت های علمی و تکنولوژیکی امکان جایگزینی پروتزهای رباتیکی پا را با اندام قطع شده ایجاد کرده است˓ که طراحی کنترل کننده ی مناسب برای آن ها همچنان مورد بحث محققان می باشد. از این رو با توجه به اهمیت این موضوع˓ در این مقاله ترکیبی از روش کنترل بهینه غیرخطی مبتنی بر رویکرد معادله ریکاتی وابسته به حالت با روش کنترل حالت انتگرالی برای یک پروتز رباتیکی از نوع فعال برای قطع عضوهای بالای زانو پیشنهاد شده است. هدف اصلی در این مقاله بهینه سازی مصرف انرژی سیستم ربات/ پروتز و ردیابی مطلوب مسیرهای موردنظر در جابه جایی عمودی لگن˓ زاویه ران و زاویه زانو می باشد. همچنین با توجه به خاصیت مقاوم بودن کنترل کننده ی ترکیبی پیشنهادی˓ آنالیز حساسیت نیز در مقابل30%  تغییر در مقدار پارامترهای سیستم بررسی و نتایج با رویکرد کنترل امپدانس مدل مرجع تطبیقی مقاوم مقایسه می گردد. عملکرد کنترل کننده در دو حالت حرکت نقطه به نقطه و ردیابی با لحاظ کردن محدوده های اشباع برروی سیگنال های کنترلی سنجیده شده است. در نهایت نتایج شبیه سازی نشان دهنده ی کاهش تلاش کنترلی˓ عملکرد مطلوب در ردیابی وضعیت ها و مقاومت نسبتا خوب در حضور عدم قطعیت های پارامتری سیستم و اغتشاشات ثابت می باشد. نتایج عددی نیز بیان کننده ی کاهش قابل ملاحظه ی انرژی مصرفی و همچنین مقدار هزینه کل روش پیشنهادی در مقایسه با رویکرد کنترل امپدانس مدل مرجع تطبیقی مقاوم می باشد.

    کلیدواژگان: ردیابی˓ کنترل بهینه غیرخطی˓ کنترل حالت انتگرالی˓ سیستم ربات، پروتز ˓ محدوده اشباع
  • جواد پشتان*، ثریا لیثی صفحه 6

    در این مقاله، هدف، پایدارسازی پرواز برای کنترل ارتفاع ربات بال زن در مقیاس متوسط با بال های دوتکه می باشد. برای این منظور، ابتدا مدلسازی دینامیکی با استفاده از دینامیک بدن چندجسمی، که شامل بخش های « دو بال دو تکه ای، بدنه و دم» است، انجام می شود. برای بدست آوردن معادلات حرکت از معادلات لاگرانژ و برای بال زدن از مکانیزم کمپف استفاده شده است. این مکانیزم که الهام گرفته شده از بال پرندگان است، بال های داخلی و خارجی را به صورت غیرهم فاز به حرکت در می آورد. مدل آیرودینامیکی به کمک فرضیه مقاطع بال استخراج می شود که در آن هر بال به دوازده مقطع، با درنظرگرفتن تمایز بال داخلی و خارجی، تقسیم می شود. نیروهای حاصل از حرکت هر مقطع بر حسب فرکانس بال زدن و سرعت پرواز به صورت مجزا بدست می آید. با ترکیب این نیروها و لحاظ کردن زاویه ی مسیر و زاویه ی حمله موثر، نیروهای آیرودینامیکی کل بال در راستای افقی و عمودی در هرگام زمانی حاصل می شود. با ادغام مدل آیرودینامیکی با مدل دینامیکی، مدل غیرخطی متناوب ربات بدست می آید. با توجه به تاثیر زاویه ی پیچ بدنه بر ارتفاع پرواز، از کنترل آبشاری برای کنترل زوایای پیچ بدنه و پیچ دم ربات در حلقه های داخلی، و کنترل ارتفاع در حلقه ی خارجی استفاده شد ه است. برای کنترل عملکرد حلقه ها از کنترل تناسبی- مشتقی- انتگرالی بهره برده شده که منجر به ایجاد پرواز پایدار در ارتفاع مطلوب شده است.

    کلیدواژگان: با ل زن، بال های دوتکه، آیرودینامیک شبه پایا، غیرخطی متناوب، کنترل آبشاری، کنترل ارتفاع
  • حسین چهاردولی* صفحه 7

    در این مقاله به تحلیل پایداری داخلی، رشته ای و کنترل جریان های ترافیکی هوشمند با ساختار ارتباطی دوسویه درحضور تاخیر زمانی ارتباطی، تاخیر عملگری و داده های ازدست رفته پرداخته می شود. در جریان های ترافیکی، پدیده داده های از دست رفته به واسطه حجم زیاد اطلاعات در حال تبادل بسیار محتمل می باشد. از سویی دیگر، پدیده تاخیر زمانی ارتباطی نیز از مشخصه های سیستم های ارتباطی به شمار می آید. همچنین، به دلیل اینرسی بالا تاخیر عملگری یک ویژگی ذاتی موتور خودرو می باشد. در این تحقیق، یک مدل دینامیکی مرتبه سه برای توصیف حرکت طولی خودروهای هوشمند در جریان ترافیکی درنظرگرفته می شود. استراتژی فاصله ثابت برای تنظیم فاصله بین خودرویی استفاده می شود. با لحاظ همزمان داده های ازدست رفته، تاخیر زمانی ارتباطی و تاخیر عملگری و بر اساس ساختار دوسویه، کنترل کننده ای خطی برای هر خودرو در نظر گرفته شده و دینامیک حلقه بسته سیستم استخراج می گردد. با استفاده از قضیه لیاپانوف- کراسوفسکی به تحلیل پایداری سیستم حلقه بسته پرداخته می شود و شرایط کافی برای تضمین پایداری داخلی جریان ترافیکی معرفی می گردد. در ادامه، با تحلیل معادله حلقه بسته هر خودرو در حوزه فرکانس، قیود لازم روی ضرایب کنترلی که تضمین کننده پایداری رشته ای هستند بدست می آید. در پایان، روش های ارایه شده در این مقاله، به کمک شبیه سازی های متعدد مورد اعتبارسنجی قرار خواهند گرفت.

    کلیدواژگان: جریان ترافیکی ناهمگن، پایداری داخلی، پایداری رشته ای، داده های ازدست رفته، تاخیر زمانی
  • علی فروغی، مهران صفرپور، اکبر علی بیگلو* صفحه 8

    ارتعاشات میکروتیرهای مدرج تابعی محوری رایلی و اویلر برنولی تحت یک بار متحرک بر روی بستر پاسترناک به صورت عددی و تحلیلی مطالعه شده است. همچنین، برای اولین بار، یک مدل سازی دقیق ریاضی برای تحلیل اثر پارامترهای مختلف مانند گرادیان طولی مواد، فاکتور اینرسی دورانی، سختی بستر پاسترناک و پارامتر گرادیان کرنش بر سرعت بحرانی، ضریب دینامیکی و مکانیزم های لغو و ماکسیمم دامنه ارتعاشات سیستم به دست آمده است. فرکانس های طبیعی تیر مدرج تابعی محوری رایلی به دست آمده و با نتایج موجود در ادبیات فنی مقایسه می شوند. عبارت های ریاضی فرم بسته ساده برای ضریب بزرگنمایی دینامیکی، لغو و بیشینه دامنه ارتعاشات آزاد سیستم استخراج شدند. نشان داده می شود که به ازای مقادیر کمتر و بیشتر از پارامتر گرادیان بحرانی، تغییرات مشخصات مادی سیستم اثرات معکوس بر دامنه ارتعاش اجباری و آزاد سیستم دارند. علاوه بر این، نتیجه گیری می شود که در مقایسه با تیرهای اویلر- برنولی همگن، در میکروتیرهای مدرج محوری رایلی محاط شده در بستر برشی پاسترناک، با انتخاب مقادیر مناسبی از پارامتر گرادیان، ضریب اینرسی دورانی، سختی بستر و پارامتر گرادیان کرنش، می توان پدیده های لغو و بیشینه ارتعاشات آزاد سیستم را به خوبی کنترل کرد. همچنین نتایج پژوهش حاضر می تواند به عنوان معیاری برای طراحی بهینه سازه های ناهمگن تحت تحریک بارهای متحرک به کاربرده شوند.

    کلیدواژگان: بار متحرک، مواد مدرج محوری، پدیده لغو، بیشینه دامنه ارتعاشات، سرعت بحرانی بار
  • زهره موسوی، میرمحمد اتفاق*، مرتضی صادقی، سید ناصر رضوی صفحه 9

    پایش وضعیت سیستم های مکانیکی اعم از سازه ها، ماشین های دوار همواره یکی از چالش های مهم محسوب می شود. در این مقاله روش جدیدی برای شناسایی و عیب یابی سازه تیری شکل در حضور عدم قطعیت هایی مانند خطاهای مدل سازی، خطاهای اندازه گیری، تغییرات بارگذاری و نویزهای محیطی بر پایه مدل شبیه سازی شده و حالت سالم واقعی ارایه شده است. در این روش، داده های سیستم سالم واقعی برای به روزرسانی پارامترهای مدل شبیه سازی شده استفاده شده است. برخی از بخش های سیگنال که مربوط به ذات سیستم نیستند با استفاده از روش تجزیه مود تجربی دسته ای کامل، حذف شده اند. یک شبکه عصبی کانولوشنال عمیق، به منظور یادگیری ویژگی های حساس به عیب از داده خام فرکانسی مدل شبیه سازی شده و حالت سالم واقعی طراحی شده است. داده های خام فرکانسی با استفاده از روش چگالی طیفی توان از سیگنال های ارتعاشی استخراج شده اند. به منظور آموزش شبکه عمیق پیشنهادی از داده های خام فرکانسی مدل شبیه سازی شده و حالت سالم واقعی استفاده می شود. پس ازآن داده های خام فرکانسی مدل واقعی برای ارزیابی شبکه عمیق پیشنهادی استفاده می شود. روش پیشنهادی با استفاده از سازه تیری شکل آزمایشگاهی ارزیابی شده است. نتایج حاصل نشان می دهد که استفاده از الگوریتم پیشنهادی برای شناسایی و عیب یابی سازه تیری شکل صحت بالاتری نسبت به سایر روش های مقایسه ای دارد.

    کلیدواژگان: پایش وضعیت، سازه تیری شکل، سیگنال ارتعاشی، شبکه عصبی عمیق
  • احسان معانی میاندوآب*، احسان ذبیحیان صفحه 10

    کنترل ارتعاشات آنتن ماهواره برای انتقال درست اطلاعات و هم چنین حذف اغتشاشات مکانیکی واردشده به ماهواره در حین کنترل وضعیت ضروری می باشد. در این مقاله به کنترل ارتعاشات آنتن تیغه ای ماهواره مکعبی با اعمال محدودیت های سیستمی پرداخته می شود. برای این منظور از سنسور و عملگر پیزوالکتریک استفاده شده و مدل ریاضی حاکم بر دینامیک آنتن استخراج می شود. برای استخراج معادلات از مدل تیر اویلر برنولی و روش جداسازی گلرکین استفاده می شود. پارامترهای میرایی و فرکانس طبیعی آنتن با تست ارتعاشات آزاد محاسبه می ‎شود تا مدل دقیقی از سیستم به دست آید. با توجه به محدودیت های زیرسیستم توان الکتریکی ماهواره، امکان اعمال ولتاژ پیوسته به پیزوالکتریک وجود نداشته و فقط امکان تغییر ولتاژ باس اصلی ماهواره با استفاده از  برد سوییچینگ  (افزاینده) و اعمال ولتاژهای مثبت و منفی صد ولت به پیزوالکتریک وجود دارد که پیچیدگی هایی را به مسئله کنترلی وارد می کند. در این مقاله سه الگوریتم کنترلی مختلف ارایه شده و پارامترهای آن ها بهینه شده اند. برای بهینه سازی پارامترها از روش بهینه سازی الگوریتم ژنتیک استفاده می شود. سه استراتژی کنترلی ارایه شده از نظر میزان مصرف انرژی و کیفیت کنترلی مقایسه شده و نتایج نشان می دهد روش کنترلی سوم از نظر مصرف انرژی بهینه بوده و زمان میراشدن ارتعاشات آنتن را به صورت قابل توجه کاهش می دهد.

    کلیدواژگان: آنتن ماهواره، پیزوالکتریک، الگوریتم کنترلی، بهینه سازی، الگوریتم ژنتیک
  • حسن محمدی، علیرضا ستوده* صفحه 11

    در این پژوهش، یک رویکرد بر مبنای روش آیزوژیومتریک جهت مطالعه رفتار ارتعاشات آزاد ورق های تاخورده مورب مرکب تقویت شده با نانولوله های کربنی به صورت مدرج تابعی توسعه داده شده است. در این روش از توابع پایه بی اسپیلاین کسری غیریکنواخت به منظور تقریب هندسه و همچنین میدان تغییرمکان استفاده می گردد. این ورق ها به وسیله نانولوله های کربنی تک جداره تقویت شده اند که فرض می شود توزیع این نانولوله ها در امتداد ضخامت ورق به صورت مدرج تابعی با الگوهای مختلف است. خواص مکانیکی موثر ورق های تاخورده مورب مرکب به کمک قاعده مخلوط های اصلاح شده محاسبه گردیده است. مدلسازی ورق تاخورده مورب با دو وصله نربز انجام گرفته است که از نقاط قوت پژوهش می باشد. معادلات حاکم بر هر وصله بر مبنای تیوری ورق کلاسیک استخراج گردیده و سپس با استفاده از توابع پایه نربز گسسته سازی شده اند. فرم نهایی معادلات گسسته، پس از انتقال ماتریس های المانی هر وصله با استفاده از یک تبدیل مختصاتی مناسب و سپس اعمال شرایط پیوستگی در مرز بین وصله ها به کمک روش نوار خمشی ایجاد شده است. سپس، چندین مثال عددی برای اثبات دقت و اعتبار فرمول بندی پیشنهادی تهیه شده است. نتایج نشان می دهد که رویکرد حاضر می تواند با دقت زیادی فرکانس های طبیعی ورق تاخورده مورب را با هزینه محاسباتی کم پیش بینی نماید. در نهایت یک مجموعه نتایج جدید برای پارامترهای مختلف هندسی و مادی ورق تاخورده مورب ارایه گردیده است.

    کلیدواژگان: تحلیل آیزوژئومتریک، روش نوار خمشی، ورق های مورب، ورق های تاخورده، نانولوله های کربنی
  • احسان حسن ابادی، علی قدوسیان*، امین نیکوبین صفحه 12

    در صنایعی که عملیات ساخت و مونتاژ باید با دقت بالا و در ابعاد میکرو صورت گیرد، انتقال و جابجایی کنترل شده و دقیق قطعات در ابعاد میکرو به شدت مورد نیاز است. برای این منظور از مکانیزم های یکپارچه میکروگریپر استفاده می گردد. در این مقاله با استفاده از روش بهینه سازی توپولوژی چندهدفه، میکروگریپری با مکانیزم یکپارچه طراحی گردیده است. معمولا سازه های استخراج شده با استفاده از تکنیک های بهینه سازی در طراحی توپولوژی سازه ها، دارای اشکالاتی هستند. از جمله اتصالات گره با گره به جای اتصال صحیح المان ها و همچنین وجود مرزهای پلکانی به دلیل تحلیل مسئله به صورت المان محدود. از این رو در این مقاله با استفاده از یک الگوریتم جدید اصلاح مرز سازه، شکل نهایی مکانیزم به گونه ای استخراج می گردد که برای ساخت نهایی آماده گردد. برای این منظور از روش برازش منحنی استفاده شده است تا از طریق کمینه نمودن مجموع خطای مربعات، پروفیل مرز سازه اصلاح گردد، به گونه ای که سازه پس از اصلاح مرز از حالت بهینه خارج نشده و حتی توابع هدف مورد استفاده در طراحی میکروگریپر، بهبود داده شوند. در انتها با مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی های عددی و تست های تجربی و آزمایشگاهی، عملکرد سازه میکروگریپر مورد بررسی قرار گرفته و انطباق مناسبی بین نتایج مشاهده شده است.

    کلیدواژگان: مکانیزم یکپارچه، میکروگریپر، بهینه سازی توپولوژی چندهدفه، الگوریتم اصلاح مرز، تست تجربی
  • محمدعلی فارسی*، پیمان غلامی صفحه 13

    ارزیابی قابلیت اطمینان سازه های هوافضایی با قابلیت تعمیرپذیری، برای افزایش در دسترس بودن سیستم و کاهش توقفات تصادفی در طول بهره برداری از اهمیت بالایی برخوردار می باشد. مدل سازی و تحلیل فرآیند تخریب، یک رویکرد موثر برای ارزیابی قابلیت اطمینان و پیش بینی عمر مفید باقی مانده است. مدل سازی فرآیند تخریب براساس روش های مبتنی بر داده (فرآیندهای تصادفی و روش‏های یادگیری ماشین) یا مکانیزم های خرابی انجام می شود. مدل های مبتنی برفرآیندهای تصادفی نظیر فرآیند وینر یکی از ابزارهای توانمند در این حوزه به ویژه تحلیل گسترش آسیب و رشد ترک‏های خستگی است. در این تحقیق، ابتدا فرایندهای وینر برای مدل سازی فرایند تخریب تشریح شده و خطاهای اندازه گیری با اثرات تصادفی در مدل مورد بررسی قرار می‏گیرد و علاوه بر این، عبارات فرم بسته برخی مقادیر قابلیت اطمینان مانند تابع قابلیت اطمینان و تابع چگالی احتمال هریک از مدل ها ارایه شده است. سپس با استفاده از روش تخمین درست نمایی بیشینه و الگوریتم  امید ریاضی- بیشینه کردن، پارامترهای ناشناخته در مدل های تخریب برآورد می‏شود. برای اثبات دقت و صحت روش ارایه شده، گسترش ترک ناشی از خستگی در یک قطعه آلومینیومی بررسی شده و نتایج با مقادیر تجربی و  مدل پایه گاما مقایسه شده است. نتایج به دست آمده بیانگر دقت مطلوب مدل فرایند وینر نسبت به مدل گاما در تخمین رشد ترک خستگی است و با اضافه کردن پارامتر خطای اندازه گیری به این مدل، دقت آن افزایش می یابد.

    کلیدواژگان: فرایند وینر، اثرات تصادفی، خطای اندازه گیری، خستگی، عمر مفید باقی مانده
  • محسن خواجه زاده*، محمدرضا رازفر صفحه 14

    یکی از چالش های ماشینکاری قطعات دقیق، احتمال وقوع تغییر شکل در قطعات پس از ساخت و یا در حین کارکرد آنها در اثر تنش های پسماند ماشینکاری است. بزرگی این تنش ها از بزرگی تنش های حرارتی و مکانیکی در این فرایند تاثیر می پذیرد. تنش های مکانیکی به نیروهای ماشینکاری وابسته بوده و تنش های حرارتی از حرارت تولیدشده در برش ماده متاثر هستند. ماشینکاری به کمک پلاسما فرآیندی است که از یک منبع حرارتی کنترل شده پلاسما برای گرم کردن بخشی از قطعه که در آستانه برش قرار دارد، استفاده می کند و در نتیجه این امر، مقاومت ماده در برابر برش کاهش یافته، مقادیر کوچک تری از نیروها و درجه حرارت برش شده و نهایتا بزرگی تنش پسماند را کاهش می دهد. در این مقاله، تاثیر پارامترهای دمای براده تغییر شکل نیافته، سرعت برش و پیشروی بر تنش پسماند در فرایند برش متعامد به کمک پلاسما مورد مطالعه تجربی قرار گرفته است. بر اساس نتایج حاصل از این پژوهش، دمای براده ی تغییرشکل نیافته تاثیرگذارترین پارامتر بر بزرگی تنش های پسماند در این فرآیند بوده و با افزایش آن در محدوده 75 تا 220 درجه سانتی گراد، تنش پسماند در سطح قطعه به طور متوسط 30/85 درصد فشاری تر شده است.

    کلیدواژگان: تنش پسماند، ماشینکاری به کمک حرارت، پلاسما، نیروهای برش، پراش پرتو ایکس
  • الهه نایبی، سید جعفر روزگار*، محمدحسین حیدری صفحه 15

    در این مقاله رفتار خمشی وابسته به زمان ورق ویسکوالاستیک مستطیلی بر مبنای تیوری ورق اصلاح شده دومتغیره و با رویکرد حسابان کسری مورد بررسی قرار می گیرد. ورق مورد نظر دارای تکیه گاه ساده و تحت بارگذاری گسترده یکنواخت می باشد و برای شبیه سازی رفتار ویسکوالاستیک از مدل کسری مرچانت سه پارامتری استفاده می شود. با استفاده از تبدیل لاپلاس، معادلات حاکم بر در دامنه زمان به دامنه لاپلاس تبدیل می شوند و سپس برای حل این معادلات از روش ناویر استفاده می شود. برای بدست آوردن پاسخ ورق ویسکوالاستیک از اصل تناظر الاستیک- ویسکوالاستیک استفاده می شود به این طریق که پاسخ ورق الاستیک هم ارز به مسئله ویسکوالاستیک تعمیم داده می شود. نتایج حاصل از این تحقیق، از جمله خیز و کرنش های صفحه ای و جانبی، با نتایج حاصل از مدل الاستیک و مدل مرچانت استاندارد مقایسه می شود که از مقایسه نتایج حاصل با نتایج مراجع می توان نتیجه گرفت که روش پیشنهادی از دقت مطلوبی برخوردار است. همچنین به مطالعه تغییرات خیز در راستای ضخامت و تاثیر نسبت منظری ورق بر نتایج نیز پرداخته می شود. این پژوهش نشان می دهد که مدل کسری پیشنهادشده قابلیت شبیه سازی هر دو اثر میرایی و کشسانی دارد که این با طبیعت ساختاری مواد ویسکوالاستیک هماهنگی بیشتری دارد.

    کلیدواژگان: حسابان کسری، ویسکوالاستیسیته خطی، تئوری ورق اصلاح شده، خمش ورق، تبدیل لاپلاس
  • توحید میرزابابای مستوفی، مصطفی سیاح بادخور، هاشم بابایی* صفحه 16

    در این مقاله، به بررسی تجربی و مدل سازی رفتار نفوذ ورق های تک لایه و چند لایه آلومینیومی، فولادی و یا ترکیبی از فولاد و آلومینیوم تحت ضربه پرتابه کروی صلب پرداخته شده است. برای انجام کارهای تجربی در قالب 66 آزمون، هشت نوع لایه بندی مختلف در نظر گرفته شد و نمونه ها در محدوده سرعت 42 تا 158 متر بر ثانیه تحت ضربه پرتابه قرار گرفتند. این لایه بندی ها شامل ورق تک لایه آلومینیومی و فولادی باضخامت 2 و 3 میلی متر، ساختار دولایه آلومینیومی و فولادی باضخامت کلی 2 میلی متر، ساختار سه لایه هم جنس آلومینیومی و فولادی باضخامت کلی 3 میلی متر و ساختارهای سه لایه غیر هم جنس آلومینیوم - فولاد - آلومینیوم و فولاد - آلومینیوم - فولاد باضخامت کلی 3 میلی متر بود. در تمامی آزمایش ها، سرعت برخورد پرتابه و میزان تغییر شکل پلاستیک نمونه اندازه گیری شد. در بخش مدل سازی عددی، از شبکه عصبی از نوع دسته بندی گروهی داده ها برای ارایه یک مدل ریاضی بر مبنای اعداد بی بعد جهت پیش بینی بیشترین خیز دایمی ساختارهای تک لایه و چندلایه فلزی تحت ضربه پرتابه صلب استفاده شد. نتایج بدست آمده نشان داد که توافق خوبی بین مدل ارایه شده با مقادیر تجربی برقرار است به طوری که 94% از نقاط در محدوده خطای کمتر از 10% قرار گرفتند.

    کلیدواژگان: مقاومت بالستیک، ساختار چند لایه، ساختار تک لایه، شبکه عصبی، مدل سازی
  • شهرام حسینی، غلامحسین رحیمی*، یاور عنانی صفحه 17

    در این مقاله تحلیل استاتیکی ورق هایپرالاستیک تحت بارگذاری های گسترده یکنواخت و سینوسی بررسی شده است. از تانسور تغییر شکل کوشی- گرین راست و کرنش های لاگرانژی برای استخراج روابط کرنش غیرخطی استفاده شده است. همچنین تیوری ورق برشی مرتبه اول برای روابط جابجایی در سه راستای اصلی به کاررفته است. برای نخستین بار، معادلات حاکم بر رفتار ورق هایپرالاستیک با استفاده از تابع انرژی کرنشی نیوهوکین به فرم قوی استخراج شده است. برای این منظور از رابطه لاگرانژ برای اعمال{Amabili, 2016 #24} روش تغییرات بر تابع انرژی پتانسیل استفاده شده است. معادلات دیفرانسیل غیرخطی حاکم بر مسئله به همراه شرایط مرزی حاکم بر آن، با استفاده از روش بدون شبکه به فرم قوی و توابع پایه شعاعی بررسی شده است. تابع اسپیلاین ورق نازک به عنوان تابع پایه شعاعی برای تشکیل توابع شکل روش بدون شبکه به کاررفته است. نتایج حاصل از روش بدون شبکه با نتایج حاصل از تحلیل المان محدود توسط نرم افزار آباکوس مقایسه شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهند که مطابقت بسیار خوبی میان نتایج روش بدون شبکه و روش المان محدود در خیز ورق تحت بارگذاری های گسترده یکنواخت و سینوسی وجود دارد؛ همچنین کانتور تنش برای هر دو روش یکسان بوده و مطابقت خوبی میان آن ها مشاهده شده است.

    کلیدواژگان: ورق هایپرالاستیک، تابع انرژی کرنشی نئوهوکین، تحلیل استاتیکی، روش بدون شبکه، توابع پایه شعاعی
  • عباس اسدی، محمد گندم کار* صفحه 18

    یکی از وسایل برداشت کننده انرژی از ارتعاشات محیط در مقیاس کوچک، طرح نانوژنراتور تیر یک سر گیردار با الکترودهای انگشتی متداخل و جرم انتهایی است که بر اساس کرنش نانولایه پیزوالکتریک روی سطح تیر، انرژی الکتریکی با ولتاژ بالا تولید می کند. به دلیل یکسان نبودن کرنش در طول تیر، پتانسیل الکتریکی متغیر در الکترودها ایجاد شده و پدیده حذف ولتاژ وابسته به شکل مود رخ می دهد. در این مقاله، با تغییر فاصله بین الکترودها به نسبت عکس کرنش طولی در لایه پیزوالکتریک، ولتاژ ایجادشده در الکترودهای هم نام با یکدیگر برابر شده و از حذف ولتاژ و کاهش توان خروجی جلوگیری شده است. برای مدل سازی نانوژنراتور، از تیوری تیر اویلر- برنولی استفاده شده و با استفاده از روش انرژی، معادله دیفرانسیل وابسته به زمان مسئله استخراج شده است. سپس، روش رانگ-کوتا مرتبه 4 جهت حل معادلات استفاده شده و دامنه ولتاژ و توان الکتریکی خروجی نانوژنراتور تحت تحریک پایه استخراج شده است. نتایج عددی نشان می دهد، با تغییر تطبیقی فاصله الکترودها، می توان تا 36% به ولتاژ تولید شده در حالت مقاومت الکتریکی بهینه و تا 40% به ولتاژ مدار باز افزود. کوپلینگ سیستم نیز تا 10% افزایش یافت. با ارایه نتایج عددی نشان داده شد که کاهش پهنای الکترودها باعث افزایش ولتاژ نانوژنراتور می شود. همچنین افزایش تعداد الکترودها منجر به کاهش ولتاژ و افزایش جریان الکتریکی خروجی می شود.

    کلیدواژگان: بهبود عملکرد نانوژنراتور، نانولایه پیزوالکتریک، الکترودهای انگشتی متداخل، فاصله متغیر الکترودها
  • شاهین نصیری طوسی، کاوه اسماعیلی ترکانپوری* صفحه 19

    در این تحقیق آنالیز حساسیت کلی پارامترهای نانوماشینکاری با استفاده از میکروسکوپ روبشی حرارتی دینامیکی مورد مطالعه قرار می گیرد. بدین منظور مقطع یک نمونه نانوماشینکاری شده با جاروب کردن تیپ با شعاع های مختلف بر روی پاسخ ارتعاشی کل سیستم در سرعت و دماهای متفاوت شبیه سازی می شود. نشان داده می شود که با افزایش دما، عمق نانوماشینکاری کاهش و با افزایش شعاع تیپ، عمق نانوماشینکاری افزایش می یابد. همچنین اظهار می گردد که با افزایش سرعت حرکت پروب، صافی سطح نهایی نانوماشینکاری کاهش می یابد. سپس شاخص های سوبول برای میانگین عمق و صافی سطح نهایی نانوماشینکاری مورد بررسی قرار می گیرد. نشان داده می شود که، بر روی میانگین عمق نانوماشینکاری تنها دما و شعاع تیپ اثر داشته و اثرات سرعت حرکت پروب و برهمکنش بین پارامترها ناچیز می باشد. همچنین اظهار می شود، علاوه بر تاثیر قابل توجه هر 3 پارامتر بر روی صافی سطح نهایی نانوماشینکاری، برهمکنش بین این پارامترها بسیار اثرگذار می باشد. سپس شاخص های کل و شاخص های سوبول با یکدیگر مقایسه می گردند. بیان می شود، میزان شاخص های کل نسبت به شاخص های سوبول در رابطه با صافی سطح نهایی نانوماشینکاری به طور قابل توجهی بیشتر می باشد. در رابطه با میانگین عمق نانوماشینکاری، شاخص های کل و شاخص های سوبول برای دو پارامتر دما و شعاع تیپ تقریبا با هم برابرند و اثرات سرعت حرکت پروب بر روی عمق نانوماشینکاری بسیار ناچیز می باشد.

    کلیدواژگان: آنالیز حساسیت کلی، تحریک پایه، ارتعاشات حرارتی، نانوماشینکاری، میکروسکوپ روبشی حرارتی
|
  • Pegah Ghaf Ghanbari, Mostafa Taghizadeh *, Mahmood Mazare Page 1

    In this paper, the performance of a four degree of freedom parallel manipulator with Schönflies motion is evaluated from kinematic and dynamic points of view. Its low inertia makes it a suitable choice for pick-and-place applications, which demand high velocity and acceleration. So, the dynamic characteristics of the robot are of high importance. Moreover, parallel robots suffer from a small workspace, on which their singularities put additional constrain. Hence, this paper studies the kinematic and dynamic behavior of the robot in-depth to give a clear perspective to path planning and its applications. To perform kinematic analysis, constraint equations are derived based on the geometric method, and then Jacobian matrices are determined via velocity analysis. By considering the constraint equations and joint limits, reachable workspace is determined applying point-to-point search algorithm and singularities are identified by the inverse and direct Jacobian matrices. For dynamic modeling, Euler-Lagrange formulation is applied and both kinematic and dynamic models are verified by the results obtained from mechanism simulation in ADAMS software. Furthermore, for evaluation of the robot performance, pressure angles are employed to show the equality of motion/force transmission, and dynamic indices based on joint space inertia matrix are applied to illustrate its dynamic behavior.

    Keywords: Four degree of freedom parallel robot, Schönflies motion, Kinematics, Dynamics, Performance Evaluation
  • Hamed Biglari, Vahid Fakhari * Page 2

    In this paper, the vibration reduction of a small-scale horizontal axis wind turbine blade is investigated using the shunt damping method by considering the coupling between edgewise and flapwise vibrations. First, the nonlinear differential equations governing the blade dynamics with shunt damper are derived using the Lagrange method. Then, by performing the sensitivity analysis and selecting the appropriate cost function and constraints, the shunt damper parameters are optimized using the genetic algorithm method for a real blade. It should be noted that in this study, the wind force applied to the blade is considered sinusoidal with variable frequency at four different speeds. After solving the governing dynamic equations, to evaluate the effectiveness of the mentioned method in reducing vibrations, the obtained results in this study are compared with the corresponding results of employing the optimized tuned mass damper for suppression of edgewise vibrations of the blade. Results show that the tuned mass damper and shunt damping method have good effects on reducing vibrations. Despite that, the tuned mass damper effect on vibration reduction at high wind speeds is greater than the shunt damping method, at low wind speeds, the shunt damping has a greater effect on reducing vibrations.

    Keywords: Wind turbine blade, edgewise vibration reduction, shunt damping, optimization, Vibration coupling
  • Shahin Hashemi Pour Moosavi, Abbas Ehsaniseresht * Page 3

    Most of the continuum robots have flexible backbones that are deformed under the internal and external loads and a considerable amount of potential energy may be stored in the backbone. Hence, the continuum robots are exposed to instability issues such as snap-through. The snap-through instability occurs when, with changes in the applied forces, the robot reaches the boundary of its stable region and then moves toward a stable configuration in an uncontrolled manner. Snap-through instability is harmful to the continuum robots and its prediction is important for the design and control of the robot. However, most of the studies focused on design, kinematics, and dynamics of the continuum robots and there are limited studies worked on stability analysis of these robots. In this paper, the stability analysis of the cable-driven continuum robots is investigated. For this, the static equilibrium configurations of the robot are firstly determined under the internal and external loadings. Then, the stiffness matrix of the robot is obtained and the robot stability and snap-through condition are evaluated. The accuracy of the static equations of the robot is verified using the experimental results and the possibility of snap-through occurrence is modeled through simulations. Besides, the effects of the external loads, robot configuration in space, and cross-section of the backbone on the workspace and snap-through occurrence are studied.

    Keywords: Continuum robot, Snap-through, Virtual power, Stiffness matrix, stability
  • Seyyed Alireza Ghoreishi, Amir Farhad Ehyaei *, Mehdi Rahmani Page 4

    In this paper, mathematical and 3D modeling of a three-legged robotic arm capable of moving objects in rough terrain is first presented. Then, considering the noise and environment disturbances, a suitable control method is proposed. Controlling this robot because of its nonlinear dynamics and the presence of disturbances and environmental effects is a very important and complex issue. Therefore, the controller should be able to set the robot in the right position as quickly as possible and eliminate the effect of environmental disturbances and noise on the system response. Accordingly, in this paper, a Double Hyperbolic Sliding Mode Control based on Unscented Kalman Filter is developed for a three-legged mobile manipulator and system stability is proved by Lyapunov theory. In the proposed controller design, while considering the disturbance term in the dynamic model of the system, an Unscented Kalman Filter is used to reduce the noise effect, which improves the robustness of the system under severe conditions. Finally, the performance of the proposed controller is compared with the inverse dynamic controller and the integral sliding mode control on the robotic system. The results show faster operation speed and accuracy in the system response.

    Keywords: Mobile Manipulator, Three-legged robot, sliding mode control, Double Hyperbolic Sliding Surface, Unscented Kalman Filter
  • Anna Bavarsad, Ahmad Fakharian *, MohammadBagher Menhaj Page 5

    Nowadays, scientific and technological advances have created the ability to replace prosthetic legs with amputated limbs, which the design of a suitable controller is still being discussed by researchers. Therefore, according to the importance of the subject, in this paper, a combination of a nonlinear optimal control method based on the state-dependent Riccati equation approach with the integral state control technique is proposed for an active prosthetic leg for transfemoral amputees. The main objective of this paper is to optimize the energy consumption of the robot/prosthesis system and desirable tracking of the vertical displacement in hip and thigh and knee angles. Also, due to the robustness properties of the suggested controller is investigated sensitivity analysis against ±30% parametric uncertainty and compared with robust adaptive impedance control. The performance of the controller is assessed for both point-to-point motion and tracking modes by considering the saturation bounds of control signals. Finally, the simulation results show a decrease in control effort, desirable performance in tracking, and relatively good robustness in the presence of parametric uncertainty and constant disturbance. Numerical results indicate a significant reduction in energy consumption and total cost in this method compared to the robust adaptive impedance control.

    Keywords: Tracking, Nonlinear optimal control, Integral state control, Robot, prosthesis system, Saturation bound
  • Javad Poshtan *, Sorayya Leyci Page 6

    This paper intends to stabilize the flight of an avian-scale flapping robot with articulated. Modeling has been performed using Multibody dynamics, considering a tail.  The equations of motion have been derived from Lagrange equations. Kampf mechanism, inspired by the birds, is used to drive the inner and outer wings with a phase shift. The aerodynamic model has been obtained from applying the blade element theory to the wings divided into twelve elements, considering the inner and outer wing distinction. The aerodynamic forces emerging from the movement of wing elements, in terms of flapping frequency and flight speed, are determined separately. Regarding the flight path angle and effective angle of attack, aerodynamic forces of the entire wings have been achieved in horizontal and vertical axes. The coupling of aerodynamic and dynamic completes the nonlinear time-periodic equations. Due to the impact of the fuselage pitch angle on the flight altitude, the cascade control was used to control fuselage and tail pitch angles in inner loops and altitude in the outer one. Proportional-derivative-integral control has been used to control the performance of the loops, the coefficients of which have been optimally designed

    Keywords: Flapping Flight, Articulated Wings, Cascade control, altitude control, Quasi-steady Aerodynamic
  • Hossein Chehardoli * Page 7

    This paper deals with the control design and internal and string stability analysis of heterogeneous traffic flows with bi-directional communication topology under random data loss, time-varying communication delay, and actuator lag. A third-order linear model is employed to describe the longitudinal dynamics of each vehicle and the constant spacing policy is employed to adjust the inter-vehicle spacing. In the practical implementation of vehicular networks, due to the high amount of different exchanged information between vehicles and infrastructures, data loss and communication delay are unavoidable effects that may cause adverse effects on the closed-loop performance. Moreover, the actuator lag is an inherent characteristic of the engine which causes delay in implementing the control commands. Therefore, all these issues are considered in system modeling and stability analysis, simultaneously. A linear control protocol using the relative position and velocity measurements with respect to predecessor and subsequent vehicles is introduced for each following vehicle. The Lyapunov-Krassovskii theorem is employed to derive the necessary conditions on control parameters assuring internal stability. Afterward, by performing the error propagation analysis in the frequency domain, sufficient conditions on control parameters assuring string stability are obtained. Finally, several simulation results are provided to show the effectiveness of the presented algorithm.

    Keywords: Heterogeneous traffic flow, Internal stability, String stability, Data loss, Time Delay
  • Ali Forooghi, Mehran Safarpour, Akbar Ali Beigloo * Page 8

    The vibration of axially graded Rayleigh and Euler-Bernoulli micro-beams under a moving load on Pasternak foundation is studied numerically and analytically. Accurate mathematical modeling is acquired to analyze the effect of various parameters such as longitudinal gradient parameter of material, whirling inertia factor, the stiffness of Pasternak foundation, and strain gradient parameter on the critical velocity, and cancellation mechanism and the maximum amplitude of vibrations. Natural frequencies are obtained and compared with available results in the technical literature. Closed-form expressions are extracted for dynamic magnification coefficient and maximum amplitude of free vibration. The changes in material characteristics of the system have inverse influences on the amplitude of free and forced vibrations for lower and higher values of the critical gradient parameters. It is concluded that in comparison with homogenous Euler-Bernoulli beams, in the axially graded Rayleigh micro-beams surrounded by shear Pasternak foundation. It can be controlled the cancellation and maximum free vibration phenomenon, by choosing the accurate values of gradient parameter, whirling inertia coefficient, the stiffness of foundation, and strain gradient parameter. Also, the results of the present study can be used as a criterion for the optimal design of heterogeneous structures under the moving loads.

    Keywords: Moving load, Axially graded material, cancellation phenomenon, Maximum amplitude of vibrations, Critical velocity of loading
  • Zohreh Mousavi, MirMohammad Ettefagh *, Morteza Sadeghi, Seyed Nacer Razavi Page 9

    Condition monitoring of mechanical systems, such as structures and rotating machines is always a major challenge. This paper is presented a new method for damage detection of real mechanical systems in presence of the uncertainties such as modeling errors, measurement errors, varying loading conditions, and environmental noises based on a simulated model and real healthy state. In this method, data of a real healthy system is used to updating the parameters of the simulated model. Some parts of the signals that are not related to the nature of the system are removed using the complete ensemble empirical mode decomposition method. A deep convolutional network is designed to learn damage-sensitive features from raw frequency data of simulated model and real healthy state. Raw frequency data is extracted from vibration signals using the power spectral density method. In order to train the proposed deep network, raw frequency data of the simulated model andreal healthy state are used. Then, raw frequency data of the real model are used to test the proposed deep network. The proposed method is validated using an experimental beam structure. The results show that using the proposed algorithm for identification and damage detection of the beam-like structure has more accuracy with respect to the other comparative methods

    Keywords: Condition monitoring, Beam-Like Structure, Vibration Signal, Deep Neural Network
  • Ehsan Maani Miandoab *, Ehsan Zabihian Page 10

    Vibration control of satellite antenna is the main concern to good quality data transmission and reduction of mechanical disturbance in attitude maneuvers. This paper is devoted to mathematical modeling and vibration control of cube-sat antenna. To do this aim, piezoelectric sensor and actuator are utilized and mathematical model of antenna by considering piezoelectric actuator as input parameter and antenna tip deflection as the output parameter. By performing experimental tests, system unknown parameters as damping ratio and natural frequency are obtained based on FFT analysis and the least square method. To control the antenna vibration, its mathematical model is obtained by considering piezoelectric voltage as an input and antenna tip deflection as an output. Herein, due to limitation on the power subsystem, it is not possible to apply continuous voltages and only 100V voltage is available which complicates the control task. Three different control algorithms are proposed for antenna control and compared together. The results show that the proposed control strategies are efficient and can reduce the control time from 10 to about 1 second. The appearing parameters in the selected control algorithm are optimized using genetic algorithm. The presented results in this paper are useful for the design and control of antenna and also for the accurate design of satellite control subsystem.

    Keywords: Satellite Antenna, Piezoelectric, control algorithm, genetic algorithm
  • Hassan Mohammadi, AliReza Setoodeh * Page 11

    In this research, an approach based on the isogeometric method is developed to study the free vibration behavior of functionally graded carbon nanotubes reinforced composite skew folded plates. In this method, non-uniform rational B-splines basis functions are used for approximation of the geometry as well as the displacement field. The plates are reinforced by single-walled carbon nanotubes which are assumed to be graded through the thickness direction with different distribution patterns. The effective mechanical properties of composite skew folded plates are captured by the modified rule of mixtures approach. Modeling of the skew folded plate is accomplished by two non-uniform rational B-splines patches which is one of the strengths of the research. The equations of motion of each patch are derived based on classical plate theory and then are discretized using non-uniform rational B-splines basis functions. The final form of the discretized equations is generated after the transformation of the element matrices of each patch and then applying the continuity conditions along the boundary of the patches with the aid of the bending strip method. Afterward, several numerical examples are provided to prove the accuracy and reliability of the proposed formulation. The results exhibit that the present approach can precisely predict the natural frequencies of skew folded plates with a low computational cost. Eventually, a set of new results are presented for different geometrical and material parameters of the skew folded plate.

    Keywords: Isogeometric analysis, Bending strip method, Skew plates, Folded plates, Carbon nanotubes
  • Ehsan Hasanabadi, Ali Ghoddosian *, Amin Nikoobin Page 12

    In industries where manufacturing and assembly operations are to be carried out with a high degree of precision on a micro scale, precise control and movement of components on a micro scale are desperately needed. Integrated microgripper mechanisms are used for this purpose. In this paper, a compliant-based microgripper is designed using multi-objective topology optimization method and the final form of the mechanism is prepared for manufacturing using a new optimal structural boundary modification algorithm. Usually, the optimization faces some problems in the designing step of the structure topology, such as node to node joining rather than the correct joining of the elements, as well as staircase boundaries due to the analysis of the problem with the finite element method. To overcome these drawbacks, in this paper, the curve fitting method is used to minimize the sum of squared errors in the boundary profile of the structure; meanwhile, the optimized objective functions of the structure are improved and better results are obtained. Finally, the performance results of the microgripper are confirmed using the comparison between numerical simulations and empirical tests.

    Keywords: Compliant mechanism, microgripper, multi-objective topology optimization, structural boundary modification algorithm, Experimental test
  • MohammadAli Farsi *, Peyman Gholami Page 13

    Aerospace structure reliability is analyzed to increase the availability and decrease the stochastic failures of the system. A degradation-based modeling method is an effective approach for reliability assessment. Degradation models are usually developed based on degradation data or understandings of physics behind the degradation processes of products or systems. Stochastic models such as the Wiener process are one of the powerful tools in this field, especially the analysis of damage expansion and fatigue crack growth. This study presents a survey of degradation modeling approaches with consideration of random effects frequently used in engineering programs. Firstly, Wiener processes are used to model the degradation process of the product, which considers measurement errors simultaneously with random effects. Moreover, the closed-form expressions of some reliability quantities such as the probability density function are derived. Then, the maximum likelihood estimation method based on the expectation-maximation algorithm is presented to estimate the unknown parameters in the degradation models. Finally, a practical case study of fatigue crack growth using proposed models is provided and compared with the basic Gamma process to demonstrate the superiority and effectiveness of the Wiener process. It is shown that the Wiener process model estimates fatigue crack growth path better than the Gamma model and by adding the measurement error parameter to the model, its accuracy is increased.

    Keywords: Wiener processes, random effects, measurement errors, Gamma process, Fatigue
  • Mohsen Khajehzadeh *, MohammadReza Razfar Page 14

    The possibility of workpiece deformation after or during machining due to residual stresses is of crucial importance in precise components. These stresses are induced mainly due to plastic deformation or heat generation during the metal cutting process. Therefore, the magnitude of machining residual stresses is affected by mechanical and thermal stresses. Mechanical stresses depend on the cutting forces and thermal stresses originate from the magnitude of heat generation during cutting action. Therefore, it is expected that machining processes with lower cutting forces and cutting temperatures, will induce lower machining residual stresses as well. Plasma assisted machining is a process that uses a heat source to increase workpiece local temperature and thereby decrease the strength of the material which is to be removed; therefore lower values of cutting forces, temperatures, and residual stresses are expected. In this research work, the effects of undeformed chip temperature, cutting speed, and feed have been investigated on the machining induced residual stresses in the plasma-assisted orthogonal turning of AISI 4140. According to the achieved results, undeformed chip temperature is the most effective parameter on machining residual stresses and by increasing this parameter from 75 to 220˚C, machining induced surface residual stresses became more compressive averagely by 85.30%.

    Keywords: Residual stress, Heat assisted machining, Plasma, Cutting Forces, X-ray Diffraction
  • Elahe Nayebi, Seyed Jafar Rouzegar *, MohammadHosein Heydari Page 15

    This paper deals with the time-dependent bending behavior of a rectangular viscoelastic plate based on the two-variable refined plate theory using the fractional calculus approach. The plate is fully simply-supported and is subjected to uniformly-distributed loading and the three-parameter merchant model is used for simulation of viscoelastic behavior. The time-domain governing equations are converted into frequency-domain ones using the Laplace transform and then, these equations are solved by the Navier method. The viscoelastic plate response is obtained using the elastic-viscoelastic correspondence principle so that the response of an elastic equivalent problem is extended into the viscoelastic problem. The results of this study, including plate deflection, and in-plane and transverse strains are compared with the results of the elastic model and the standard merchant model where the comparison of obtained results with the reference ones shows that the proposed approach has good accuracy. Also, the variation of deflection through the plate thickness and the effect of aspect ratio on the results are studied. This study shows that the proposed fractional model has the ability to simulation of both elastic and viscose effects simultaneously which is more compatible with the nature of viscoelastic materials.

    Keywords: fractional calculus, Linear viscoelasticity, Refined plate theory, Plate bending, Laplace transform
  • Tohid Mirzababaie Mostofi, Mostafa Sayah Badkhor, Hashem Babaei * Page 16

    In the current study, an experimental study and modeling of the penetration behavior of single-layered and multi-layered targets made of either aluminum alloy or mild steel or a combination of these materials impacted by a spherical projectile were introduced. For conducting 66 experiments, eight different layering configurations consist of monolithic aluminum and steel plates with the thickness of 2 mm and 3mm, double-layered aluminum and steel plates with a total thickness of 2 mm, triple-layered aluminum, and steel plates with the total thickness of 3 mm, and triple mixed layered plates of Aluminum-Steel-Aluminum and Steel-Aluminum-Steel configurations with the total thickness of 3 mm were considered under various impact velocities of 42 to 158 m/s. The impact velocity and maximum permanent deflection of specimens were measured in all experiments. In the numerical modeling section, the group method of data handling neural network was used to present a mathematical model based on dimensionless numbers to predict the maximum permanent deflection of monolithic and multi-layered metallic plates under the rigid projectile impact. 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 94% of data points are within the ±10% error range.

    Keywords: Ballistic resistance, Multi-layered plates, Single-layered plates, Neural Network, Modeling
  • Shahram Hosseini, GholamHosein Rahimi *, Yavar Anani Page 17

    In this paper, the static analysis of hyperelastic plates under uniform and sinusoidal distributed loading is investigated. Right Cauchy-Green deformation tensor and Lagrange strains are used to derive the nonlinear strain relations. Also, the first-order shear deformation plate theory is considered. For the first time, the governing equations of hyperelastic plates using the neo-Hookean strain energy function are derived. The Lagrange equation is utilized to implement the variational method on potential energy function. The governing nonlinear differential equations are discretized using the meshless collocation method and radial basis functions. The thin plate spline basis function is applied for deriving shape functions of the meshless method. The results are compared to the results of the finite element method. The static analysis is investigated on hyperelastic plates for uniform and sinusoidal loading and various thicknesses. Additionally, the effect of thickness is studied on the deflection of the hyperelastic plates. The results show an acceptable accuracy for static analysis of hyperelastic plates under uniform and sinusoidal loading; also, the stress contour is the same in both methods. Consequently, the meshless collocation method using the thin-plate spline basis function is an adequate method for analyzing FSDT hyperelastic plates due to no integration and imposing boundary conditions directly.

    Keywords: Hyperelastic plates, Neo-Hookean strain energy function, Static analysis, Meshless Method, Radial basis functions
  • Abbas Asadi, Mohammad Gandomkar * Page 18

    A small-scaled device for ambient energy harvesting is a high voltage cantilever nanogenerator with interdigitated electrodes carrying a tip mass that acts upon the strain induced in the top piezoelectric layer. In this device, more strain gradient over the length, more electric potential in adjacent electrodes depending on the vibration mode shape at which voltage cancelation may occur. In this work, changing the distance between the electrodes proportional to the inverse of strain function, the induced voltage in all the electrodes are equalized that prevents the voltage cancelation. The Euler-Bernoulli beam model is used for the problem and the governing time-dependent equation is derived based on the energy method. Then, the 4th order Runge-Kutta method is used to solve it from which the output voltage is derived for base excitation. The results show that it is possible to increase the voltage by 36% for optimal electrical load by this procedure and for 40% for open circuit conditions. The system coupling is also increased by 10%. Moreover, the results show that the smaller size of electrodes, the higher the output voltage. Whereas, increasing the number of electrodes makes the voltage reduce in contrast with the electric current.

    Keywords: Nanogenerator Performance Improving, Piezoelectric Nanolayer, Interdigitated electrodes, Variable distance electrodes
  • Shahin N. Toossi, Kaveh E. Torkanpouri * Page 19

    In this study, global sensitivity analysis of nanomachining parameters by using a dynamic scanning thermal microscope is investigated. Thus, the cross-section of a nanomachined sample by sweeping with different tip radius on the vibrational response of the system at different speeds and temperatures are simulated. It is shown that by increasing temperature, the depth of nanomachining decreases, and by increasing tip radius, the depth of nanomachining increases. Also, it is declared that the final quality of the nanomachining decreases by increasing speed traveling. Then, the Sobol indices for the mean depth and surface finish of the nanomachined sample are studied. It is shown that traveling speed is not affected the mean depth of nanomachining in its physical range and so the effects of the probe traveling speed and interaction between parameters are negligible. It is declared that the effect of interaction between temperature, traveling speed and tip radius is important on the final surface finish of the sample, however, the most important parameter is still the temperature difference. Then, the total indices and Sobol indices are compared. It is stated that the total indices are significantly higher than the Sobol indices for the final surface of ​​the nanomachining. For the mean depth of the nanomachining the total indices and Sobol indices for temperature and tip radius are approximately equal and the effect of probe traveling speed is negligible.

    Keywords: Global Sensitivity Analysis, Base Excitation, Thermal Vibration, Nanomachining, Scanning thermal microscope