فهرست مطالب

نشریه روش های عددی در مهندسی
سال چهلم شماره 1 (تابستان 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/03/31
  • تعداد عناوین: 7
|
  • بشیر موحدیان عطار*، مصطفی صادقی گوغری صفحات 1-15

    تعیین دقیق پاسخ سازه ها تحت بارهای دینامیکی از جمله بار زلزله نقش بسزایی در طراحی ایمن و اقتصادی سازه ها دارد. هدف این مقاله، بهره گیری از یک روش حل جدید بر مبنای استفاده از توابع پایه نمایی برای تحلیل دینامیکی تیر برنولی در مقابل تحریک های تکیه گاهی است. این روش نخستین بار در حل مسایل انتشار موج اسکالر و با عنوان روش گام به گام باقیمانده وزنی زمانی معرفی شد. پاسخ مسئله در روش پیشنهادی به صورت یک سری متشکل از توابع پایه نمایی با ضرایب ثابت مجهول در نظر گرفته شده و پیشروی حل در زمان بدون نیاز به گسسته سازی مکانی تیر و با استفاده از یک رابطه بازگشتی مناسب برای اصلاح ضرایب پایه های نمایی انجام می شود. به منظور اعمال تحریک زلزله نیز ابتدا با استفاده از رابطه تفاوت محدود مرکزی، تاریخچه شتاب زلزله به تاریخچه جابه جایی تبدیل می شود. در ادامه تاریخچه جابجایی به عنوان شرط مرزی دریشله متغیر در زمان به تیر اعمال می شود. در این مطالعه، قابلیت های روش پیشنهادی در حل چند مسئله نمونه از ارتعاش تیرهای تک و چند دهانه تحت انواع تحریک های تکیه گاهی از جمله تغییرات شتاب زلزله با نتایج سایر روش های موجود، مقایسه شده است.

    کلیدواژگان: تیر برنولی، روش گام به گام باقیمانده وزنی زمانی، توابع پایه نمایی، تحریک پایه ناشی از زلزله
  • سوگند مومیوند، حامد داوری اردکانی*، هادی مصدق، مصطفی ابویی اردکان صفحات 17-42

    در این مقاله، مسئله انتخاب و زمان بندی پروژه چندحالتی با منابع محدود با در نظر گرفتن امکان سرمایه گذاری مجدد عواید پروژه در افق زمانی انعطاف پذیرمورد بررسی قرار گرفته است. بر این اساس، سازوکار مسئله مذکور به گونه ای است که از بین پروژه های پیشنهادی، تعدادی انتخاب و فعالیت های آنها با توجه به روابط پیش نیازی و محدودیت منابع تجدیدپذیر زمان بندی می شود. در این مسئله به مقایسه سود حاصل از انتخاب سبد پروژه و زمان بندی و اجرای فعالیت های آنها بین دو حالتی که افق زمانی ثابت و یا منعطف باشد، پرداخته شده است. به همین منظور حدود تلرانس بالا و پایینی برای افق زمانی از پیش تعیین شده در نظر گرفته شده است. در صورت تجاوز از افق زمانی مذکور، هزینه ای به عنوان جریمه در نظر گرفته خواهد شد و هدف تعیین افق زمانی مطلوب است. یک مدل برنامه ریزی عدد صحیح مختلط برای این مساله پیشنهاد شده است و جهت حل آن در ابعاد کوچک و بزرگ از نرم افزار گمز و حل گر سیپلکس و ترکیبی از یک الگوریتم ابتکاری پیشنهادی، الگوریتم ژنتیک و جست و جوی محلی استفاده شده است. سپس نتایج حاصل از آنها با یکدیگر مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج عددی نشان می دهند که الگوریتم پیشنهادی عملکرد قابل قبولی از منظر کیفیت جواب و زمان حل داشته و همچنین در نظر گرفتن افق زمانی انعطاف پذیرمی تواند افزایش عایدی قابل توجهی را نسبت به عدم در نظر گرفتن آن داشته باشد.

    کلیدواژگان: مسئله انتخاب و زمان بندی پروژه چندحالتی، محدودیت منابع، افق زمانی انعطاف پذیر_ استراتژی سرمایه گذاری مجدد
  • محمد هاشمیان، مهرداد جبارزاده* صفحات 43-58

    در این مقاله، خمش غیرخطی میکرو/ نانوصفحه مدرج تابعی مستطیلی و قطاعی، با استفاده از تیوری تنش کوپل اصلاح شده، بررسی شده است. بدین منظور، ضمن استفاده از یک تیوری مرتبه بالای برشی اصلاح شده و کرنش های غیرخطی و فرضیات فون کارمن، معادلات تعادل و شرایط مرزی حاکم توسط روش اصل حداقل انرژی پتانسیل برای صفحات مستطیلی و قطاعی محاسبه و ارایه شده و با استفاده از روش عددی درون یابی نیمه تحلیلی حل شده است. از مزایای تیوری تغییر شکل برشی استفاده شده، آن است که ضمن برطرف کردن نواقص تیوری های مرتبه بالای برشی، می توان از آن پاسخ تیوری های مرتبه اول و سوم برشی را نیز استخراج و نتایج را با یکدیگر مقایسه کرد. در ادامه، ضمن بررسی مزایای این تیوری، نتایج با دیگر تحقیقات اعتبارسنجی شده است و ضمن بررسی مقایسه انواع تیوری ها با یکدیگر، در انتها اثرات پارامترهای مقیاس طول، انواع شرایط مرزی، ضریب تابع توزیع توانی و ابعاد هندسی بررسی شده است.

    کلیدواژگان: خمش غیرخطی، تئوری تغییر شکل مرتبه بالای برشی اصلاح شده، تئوری تنش کوپل اصلاح شده، مواد مدرج تابعی، روش عددی درون یابی نیمه تحلیلی
  • محمد عزیزپوریان، نیما نورمحمدی* صفحات 59-77

    در این مقاله تحلیل خمش ورق کامپوزیت لایه ای غیرهمگن در صفحه به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به ضخامت نسبتا زیاد، از تیوری میندلین که تغییر شکل برشی در ضخامت را به صورت خطی در نظر می گیرد استفاده می شود. معادله دیفرانسیل حاکم بر تعادل مسئله به صورت انتگرال وزنی ارضاء می شود. توابع پایه برای تخمین پاسخ، چند جمله ای های چبی شف نوع اول بوده و وزن های مورد استفاده نیز از جنس توابع نمایی هستند. با توسعه فرمول بندی در یک ناحیه مجازی مستطیلی در برگیرنده سطح ورق، امکان محاسبه انتگرال وزنی به صورت ترکیب خطی تعدادی انتگرال یک بعدی و نرمال شده وجود دارد که سرعت عملیات را بسیار بالا می برد. به منظور صحت سنجی روش ارایه شده، مثال هایی از ورق کامپوزیت لایه ای همگن و ناهمگن با انواع جهت گیری الیاف و شرایط تکیه گاهی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج به دست آمده با جواب های حاصل از روش های تحلیلی و نیز حل عددی از نرم افزارهای تجاری تطابق خوبی دارد که کارایی روش پیشنهادی را نشان می دهد.

    کلیدواژگان: توابع پایه متعادل شده، ورق نسبتا ضخیم، کامپوزیت، غیرهمگن، چبی شف
  • پژمان رستگار راجعونی، احمدرضا رحمتی* صفحات 79-101

    به منظور شبیه سازی جریان چندفازی در حضور میدان الکتریکی با استفاده از روش شبکه بولتزمن از سه تابع توزیع استفاده می شود که دو تابع توزیع به منظور استفاده از مدل مبتنی بر میدان فاز هی- چن- ژانگ و یک تابع توزیع به منظور حل میدان پتانسیل است. در ابتدا با استفاده از قانون لاپلاس و آزمون رهاسازی قطره توانایی برنامه کامپیوتری در اعمال کشش سطحی سنجیده شده است. نتایج حاصل نشان می دهد که برنامه عددی حاضر، قادر است نیروی کشش سطحی تنظیمی را به خوبی مدل کند. سپس با استفاده از شبیه سازی ناپایداری رایلی- تیلور توانایی برنامه کامپیوتری در اعمال نیروهای حجمی سنجیده شده است که نشان می دهد نتایج برنامه عددی نوشته شده با نتایج عددی موجود در مراجع همخوانی نزدیکی دارد. در این پژوهش برای اولین بار، اثر حضور میدان الکتریکی بر قطره غوطه ور در یک سیال دیگر و به علاوه حضور قطره در محیط متخلخل با استفاده از روش شبکه بولتزمن بررسی شده است. بدین منظور ابتدا حرکت قطره در اثر اختلاف پتانسیل در محیط های متخلخل و غیرمتخلخل بررسی شده است. پس از مدل سازی حرکت قطره در اثر اختلاف پتانسیل، دو میدان الکتریکی در جهت عکس یکدیگر به قطره وارد شده است تا تغییر شکل قطره بررسی شود. سپس با اعمال تست های مختلف نشان داده شده است که در یک اختلاف پتانسیل مشخص، قطره پس از تغییر شکل زیاد، تجزیه شده و به قطرات کوچک تر تقسیم می شود. تجزیه قطرات در یک امولسیون پیش مخلوط، تکنیکی رایج در تولید قطرات مونودیسپرس است. وجود قطرات مونودیسپرس در یک امولسیون باعث بهبود خواص فیزیکی از نظر کارشناسان علم پلیمر می شود

    کلیدواژگان: روش شبکه بولتزمن، جریان چند فازی، میدان الکتریکی، تغییر شکل و تجزیه قطره، محیط متخلخل
  • یوسف ملاپور، اسماعیل پورسعیدی*، حسن شایانی جم، امید پدرام صفحات 103-124

    عوامل خورنده در حضور بار مکانیکی در پره های کمپرسور توربین گازی پدیده هایی چون خوردگی حفره ای، ترک خوردگی تنشی و خستگی خوردگی را به وجود می آورند. بر اثر تماس ذرات ساینده و مواد خورنده، سطح پره ها حفره دار شده که منشا بروز ترک ها هستند. بنابراین ضروری است با شناخت مکانیسم آن، از وقوع آن در صورت امکان جلوگیری کرد. هدف اصلی این مقاله بررسی عددی و تجربی رشد حفره خوردگی در فولاد زنگ نزن 450 custom و دستیابی به مقادیر کرنش در حفره در حال رشد است. در این راستا ابتدا نمونه خمش دو نقطه ای ساخته شده و به کمک آزمون پتانسیو استاتیک تحت پتانسیل 350 mVsce در محلول 3/5 درصد وزنی سدیم کلرید قرار می گیرد تا نمونه در محل خمش بیشینه دچار خوردگی حفره ای شود. سپس حفره های رشد یافته مورد بررسی عددی قرار می گیرد. به کمک روش همبستگی تصاویر دیجیتال، کرنش در محل حفره ها محاسبه شده و رابطه ای برای تخمین زمان کرنش بیشینه در حفره های خوردگی به دست آمده است. بنابراین با داشتن کرنش بیشینه جهت رشد حفره پیش بینی می شود. در انتها با شبیه سازی فرایند حفره دار شدن نمونه بدون تنش تحت پتانسیل 350 mVsce در محلول 3/5 درصد وزنی سدیم کلرید در نرم افزار کامسول، تغییرات غلظت یون های ایجاد شده، تغییرات پتانسیل الکتریکی و چگالی جریان خوردگی در حفره نشان داده می شود. پتانسیل با پیشروی در عمق کاهش یافته و چگالی جریان خوردگی در عمق 18 میکرومتری بیشینه مقدار خود را دارد. بدین ترتیب بدون نیاز به امکانات پیشرفته آزمایشگاهی برای روبش و تحلیل سطح، می توان اطلاعات مفیدی از شرایط خوردگی سطح به دست آورد.

    کلیدواژگان: خوردگی حفره ای، کرنش موضعی، شبیه سازی حفره دار شدن، آلیاژ CUSTOM 450
  • حسن اسدی گرجی، اردشیر کرمی محمدی* صفحات 125-151

    رفتارهای پیچیده غیرخطی مانند حرکت آشوبناک، اثرات نامطلوب و مخربی بر سیستم های دینامیکی دارند. در این تحقیق رفتار غیرخطی ورق ویسکوالاستیک مستطیلی با لبه های مفصلی، تحت اثر جریان آیرودینامیکی مافوق صوت مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته و نتایج با ورق الاستیک غیرخطی مقایسه شده است. معادلات ورق با استفاده از تیوری ورق کلاسیک به دست آمده و از روابط کرنش- جابه جایی ون- کارمن نیز به منظورملاحظه اثرات غیرخطی هندسی استفاده شده است. مدل کلوین ویت برای توصیف خاصیت ویسکوالاستیک و "تیوری شبه پایای پیستون مرتبه اول" نیز به منظور مدل سازی جریان آیرودینامیکی مافوق صوت به کار گرفته شدند. معادلات حرکت ورق از روش لاگرانژ استخراج و سپس با روش رایلی- ریتز گسسته سازی شد. معادلات با استفاده از روش رانگ کوتای مرتبه چهار حل و برای بررسی رفتار دینامیکی ورق، مقادیر ویژه سیستم و نیز نمودارهای پاسخ زمانی، فضای فازی، نگاشت پوانکاره، طیف توانی و نمودار چندشاخگی مورد مطالعه و تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان می دهد که در برخی نسبت های منظری، آستانه وقوع فلاتر در ورق ویسکوالاستیک پایین تر از ورق الاستیک است. از سوی دیگر با افزایش پارامتر کنترلی، به جای رفتارهای پیچیده غیرخطی مانند آشوب در ورق الاستیک، در ورق ویسکوالاستیک رفتارهای ساده تری نظیر حرکت پریودیک رخ می دهد.

    کلیدواژگان: ورق ویسکوالاستیک مستطیلی، جریان آیرودینامیک مافوق صوت، دینامیک غیرخطی، چندشاخگی
|
  • B. Movahedian Attar*, M. Sadeghi Pages 1-15

    Accurate determination of the response of structures under dynamic loads such as earthquake loads plays an important role in the safe and economical design of structures. The purpose of this paper is to utilize a novel solution method based on the use of exponential basis functions for dynamic analysis of Bernoulli beam subjected to different types of base excitations. This method was firstly introduced for solving scalar wave propagation problems, named as stepwise time-weighted residual method. The proposed method considers the solution as a series of exponential basis functions with unknown constant coefficients; and the problem is solved in time without the need for spatial discretization of the beam and by using an appropriate recursive relation to correct the coefficients of the exponential bases. In order to apply the earthquake excitation, first by using the central finite difference relation, the earthquake acceleration history is converted to displacement history. Moreover, the displacement history is applied to the beam as a time-varying boundary condition. In this study, the capabilities of the proposed method in solving several sample problems of vibration of single and multi-span beams under various stimuli such as earthquake acceleration variations are compared with the results of other existing methods.

    Keywords: Euler-Bernoulli beam, Time weighted residual method, Exponential basis functions, Earthquake base excitation
  • S. Moomivand, H. Davari Ardakani*, H. Mosadegh, M. Abouei Ardakan Pages 17-42

    In this paper, a multi-mode resource constrained project selection and scheduling problem is investigated considering the reinvestment strategy in a flexible time horizon. Among a set of available projects, a number of projects are selected and scheduled regarding the constraints on renewable resources and precedence relations. The benefits of project portfolio selection and scheduling are compared in both fixed and flexible time horizons. For this purpose, upper and lower tolerance limits are considered for the predetermined time horizon. If the schedule exceeds the time horizon, a penalty cost will be charged. The objective is to determine the optimal time horizon. A mixed-integer linear programming model is proposed for this problem, and solved by GAMS software/CPLEX solver and also a combination of a proposed heuristic algorithm, Genetic Algorithm, and a local search method. Numerical results show that the proposed approach has an acceptable performance in terms of the quality of the solution and the running time. Also, dealing with the problem in a flexible time horizon is more profitable compared to a fixed time horizon.

    Keywords: Multi-mode project selection, scheduling, Resource constraints, Flexible time horizon, Reinvestment strategy
  • M. Hashemian, M. Jabbarzadeh* Pages 43-58

    In this paper, nonlinear bending analysis of functionally graded rectangular and sectorial micro/nano plates is investigated using the modified couple stress theory. For this purpose, a higher-order shear deformation theory and von Kármán geometrically nonlinear theory are employed. The equilibrium equations and the boundary conditions for rectangular and annular sector plates are derived from the principle of minimum total potential energy and solved using the Semi-Analytical Polynomial Method (SAPM). One of the advantages of the implemented shear deformation theory is removing the defects of higher order shear deformation theory, and obtaining the response of the first and the third-order shear deformation theories at the same time. Afterwards, beside investigating the benefits of this theory compared with other ones, the results are verified with those by other researches. At the end, the effects of length scale parameter, boundary conditions, power law index, and geometrical dimensions are investigated

    Keywords: Nonlinear Bending, Modified Higher-order Shear Deformation Theory (MHSDT), Modified Couple Stress Theory, Functionally Graded Material (FGM), Semi-analytical Polynomial Method (SAPM)
  • M. Azizpooryan, N. Noormohammadi* Pages 59-77

    In this paper, static analysis of in-plane heterogeneous laminated composite plates is numerically studied. The Mindlin’s theory which considers linear transverse shear deformation has been implemented. The governing partial differential equation is satisfied by a weighted residual integration. Chebyshev polynomials of the first kind are used as basis functions and exponential functions make up the weight functions of the integration. The emerging integrals may be composed of some pre-evaluated 1D normalized ones, which effectively paces up the solution progress. To verify the method, several examples of homogeneous as well as heterogeneous plates with various lamination schemes and boundary conditions have been solved. Results are compared with those from the literature or by commercial codes, which reveal excellent accuracy of the proposed method.

    Keywords: Equilibrated basis functions, Moderately thick plate, Heterogeneous, Composite, Chebyshev
  • P. Rastegar Rajeouni, A. R. Rahmati* Pages 79-101

    In order to simulate multiphase flow in the presence of dielectric current using the Lattice Boltzmann Method (LBM), three distribution functions are used, two of which for using the He-Chen-Zhang phase field model and one for solving the potential field. Initially, the ability of the code to apply surface tension was tested using the Laplace law and the drop release test. The results show that the present numerical program is capable of modeling well the regulated surface tension force. Then, the Rayleigh–Taylor instability simulation is used to evaluate the codechr('39')s ability in applying volume forces. The results by the developed numerical program are in good agreement with the numerical results in the references. In this study, for the first time, the effect of electric field on a droplet immersed in another fluid and the presence of droplet in a porous medium is investigated by LBM. For this purpose, first the droplet motion due to the potential difference in the porous and non-porous media is investigated. After modeling the droplet motion due to the potential difference, two electric fields areapplied to the droplet to reverse the droplet deformation. Through various tests, it is shown that at a given potential difference, the droplet breaks down after much deformation and is divided into smaller droplets. The decomposition of droplets in a pre-mixed emulsion is a common technique in the production of monodisperse droplets. The presence of monodisperse droplets in an emulsion improves the physical properties of polymer science experts.

    Keywords: Lattice Boltzmann Method, Multiphase Flow, Electric Field, Droplet Deformation, break-up, Porous Media
  • Y. Mollapour, E. Poursaeidi*, H. Shayani Jam, O. Pedram Pages 103-124

    Corrosive factors along with mechanical loads on the gas turbine compressor blades, cause phenomena such as pitting corrosion, stress corrosion cracking and corrosion fatigue. Due to erosion of particles in the presence of a corrosive environment, pitting happens on the blade surfaces, which is a source of subsequent cracks. Therefore, it is necessary to get knowledge of its mechanism in order to prevent the phenomena as much as possible. The main purpose of this paper is to investigate the growth of pitting corrosion in CUSTOM 450 stainless steel and to obtain strain values in the growing pits at the maximum bending region. In this regard, a two-point bending specimen was made and subjected to a potentio-static test under the potential of 350 mVSCE in the 3.5 wt% sodium chloride solution. Then the propagated pits were numerically examined. By the digital image correlation method, the local strain was calculated in the pits and a relation was presented to obtain the maximum strain time. Therefore, growth direction of pitting corrosion could be estimated by having maximum strain region. Finally, by simulating the pitting corrosion process of a stress-free sample under the potential of 350 mVSCE in 3.5 wt% sodium chloride solution in COMSOL Multiphysics software, variations in the concentration of ions, electric potential, and corrosion current density were shown in the existing pit. The potential was decreased by moving in-depth and the maximum current density was found at the depth of 18 μm. Thus, without the need of advanced laboratory facilities for surface scanning and analysis, useful information from surface corrosion conditions could be obtained

    Keywords: Pitting corrosion, Stress corrosion cracking, Pitting corrosion simulation, CUSTOM 450
  • H. Asadigorji, A. Karami Mohammadi* Pages 125-151

    Complex nonlinear behaviors such as chaotic motion have devastating effects on dynamic systems. In this study, nonlinear behavior of simply supported rectangular viscoelastic plates was examined during supersonic aerodynamics and compared with the nonlinear elastic plate. Classical plate theory was used to obtain the plate equations, and Von- Kármán strain-displacement relations were used to consider the nonlinear geometric effects. The Kelvin Voigt  model was also used to describe the viscoelastic properties and the “first-order piston theory" was used for supersonic aerodynamic flow. The equations of motion of the rectangular plate were extracted using the Lagrangian method and then, discretized by the Rayleigh-Ritz method. Solution of the equations was performed using fourth order Runge Kutta method. To investigate the dynamic behavior of the plates, the eigenvalues of the system, time history curves, phase portraits, Poincaré maps, and bifurcation diagrams were studied and analyzed. The results show that in some aspect ratios, the threshold for the occurrence of the flutter in the viscoelastic plate will be lower than that in the elastic plate. On the other hand, when the control parameter increases, complex nonlinear behavior such as chaos in the elastic plate goes simpler in the viscoelastic plate, such as periodic motion.

    Keywords: Rectangular Viscoelastic Plate, Supersonic Aerodynamic Flow, Nonlinear Dynamics, Bifurcation Diagrams