فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک مدرس
سال بیست و یکم شماره 11 (آبان 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/07/24
  • تعداد عناوین: 6
|
  • سکینه فتوحی*، محمدرضا خوشروان آذر، محمد فتوحی صفحات 719-728

    سازه های کامپوزیتی تحت بارگذاری ضربه مستعد انواع مکانیزم های خرابی از قبیل جدایش بین لایه ای، شکست الیاف و یا ترک ماتریس می باشند. مطاعات نشان می دهد که خرابی سازه های کامپوزیتی در اثر ضربه وابسته به ابعاد (درون صفحه ای و بین صفحه ای) و چینش لایه ها می باشند. تحقیق حاضر با استفاده از روش نشرآوایی سی اسکن و سی تی اسکن به بررسی تاثیر ابعاد و چینش لایه ها بر خرابی صفحات کامپوزیتی اثر ضربه سرعت پایین پرداخته است. بدین منظور چهار نمونه با ساختار شبه ایزوتروپ با لایه چینی [45m/0m/90m/-45m]ns ساخته شده و تحت بارگذاری قرار گرفتند و سیگنال های نشرآوایی آن ها ثبت شدند. سه نمونه IS، PS و SS بر اساس استاندارد D6264/D6264M، و یک نمونه مرجع R که نصف ابعاد درون صفحه ای سه نمونه ی قبلی را دارند بررسی شدند. مقادیر m و n متناسب با طراحی مورد نظر تغییر کرده است. داده های آزمون نشرآوایی با استفاده از تابع سنتری تحلیل شدند و سپس تصاویر سی اسکن و سی تی اسکن نیز جهت مشاهده اندازه و محل خرابی ها به کار گرفته شدند. نتایج این تحقیق نشان داد که تغییرات ابعادی و نوع لایه چینی باعث تغییر نوع و شدت مکانیزم های خرابی و رفتار مکانیکی مواد کامپوزیتی می شود. همچنین نشان داده شده است که آزمون نشرآوایی توانایی مشاهده تاثیر ابعاد و لایه چینی در کامپوزیت های شیشه/اپوکسی را دارد.

    کلیدواژگان: کامپوزیت، ابعاد، ضربه، نشرآوایی، سی-اسکن، لایه چینی، سی تی-اسکن، شیشه، اپوکسی
  • مجتبی حقگو، هاشم بابایی*، توحید میرزابابای مستوفی صفحات 729-742

    شبیه سازی عددی تعامل سیال و سازه برای شکل دهی ورق با استفاده از انفجار مخلوط گاز های اکسیژن و هیدروژن با به کارگیری روش مرز غوطه ور المان بقا المان حل در نرم افزار ال اس داینا در این مقاله ارایه شده است. مکانیزم انفجار شامل 7 نمونه و 16 واکنش است. مکانیزم واکنش شیمیایی، گسترش موج انفجاری حلگر اویلری و پاسخ پلاستیک دینامیکی ورق های فولادی نرم حلگر لاگرانژی به طور مفصل بحث شده اند. مدل ساختاری جانسون-کوک با معیار تسلیم برای نشان دادن پاسخ دینامیکی و شرایط تسلیم نمونه با در نظرگیری رفتار غیرخطی و حساسیت به نرخ کرنش ماده به کار رفته اند. مدل عددی دوبعدی با مقایسه نتایج شبیه سازی عددی با داده های آزمایشگاهی برای کرنش ضخامتی اعتبارسنجی شده است. تاریخچه فشار-زمان، تنش فون میسز و الگوی تغییر شکل ورق شبیه سازی شده هم بررسی شده اند. هم چنین، یک سری شبیه سازی عددی برای بررسی تاثیر مقدار فشار انفجار داخلی بر ورق با در نظرگیری ظرفیت های طولی، فشار های پیش از انفجار و مکان های نقطه ی جرقه زنی مختلف استوانه احتراقی انجام شده است. نتایج نشان دهنده ی تاثیر افزایش فشار پیش از انفجار بر مقدار بیشینه فشار انفجار و کاهش زمان کلی انفجاراند. به علاوه، استوانه احتراقی با ظرفیت طولی بیشتر، در مورد تغییر شکل ورق توانمندتر است.

    کلیدواژگان: شبیه سازی عددی، واکنش شیمیایی، تعامل سیال جامد، روش مرز غوطه ور، انفجار گازی
  • محمد مزیدی شرف آبادی*، محمدایمان غیاثی، علی سراج صفحات 743-755

    در این مقاله عملکرد یک پنل خورشیدی 190 واتی، واقع در پژوهشگاه صنعت نفت در شهر تهران، از دیدگاه انرژی و اگزرژی مطالعه و ارزیابی می شود. به منظور مدلسازی و تعیین مشخصه های الکتریکی سیستم نظیر ولتاژ مدار باز، جریان اتصال کوتاه، مقاومت های موجود در سیستم، ویژگی های نقطه بیشترین توان و استخراج منحنی های مشخصه الکتریکی، یک کد کامپیوتری توسعه داده شده است. پارامترهای عملیاتی الکتریکی سیستم و شرایط محیطی نظیر میزان تشعشع، سرعت باد و دمای محیط نیز به صورت تجربی در یکی از روزهای اردیبهشت ماه اندازه گیری و ثبت شده است. همچنین برای اعتبار سنجی مدلسازی، نتایج حاصل از آن با داده های گزارش شده توسط سازنده و داده های تجربی، مقایسه شده است. نتایج این پژوهش نشان می دهد که بازده انرژی در طول مدت مطالعه (ساعت 7:30 تا 17:30) از 22/11 تا 94/13 درصد متغیر بوده و به طور میانگین برابر 19/13 درصد است. بازده اگزرژی نیز در طول این مدت از 77/14 تا 66/16 درصد متغیر است و به طور میانگین مقداری برابر با 62/15 درصد دارد.

    کلیدواژگان: سلول فتوولتائیک، منحنی های مشخصه، بازده انرژی، بازده اگزرژی، نیروگاه خورشیدی
  • محمدحسین رمضانی*، محمد مهدی نوروزی، رضا مداحیان، محمدرضا انصاری صفحات 757-765

    هدف از این پژوهش، ایجاد انواع الگو جریان دوفازی و بدست آوردن نقشه الگو جریان برای دو فاز آب و هوا در یک لوله عمودی از جنس پلکسی گلس شفاف به قطر 50 میلی متر و طول 390 سانتی متر و محاسبه سرعت میانگین حباب تیلور است. سیستم آزمایشگاهی لازم جهت انجام این پژوهش در آزمایشگاه جریان های چند فازی دانشگاه تربیت مدرس توسط تیم تحقیقاتی جریان های چند فازی طراحی و ساخته شده است. سه الگوی جریان حبابی، اسلاگ و متلاطم برای 320 سرعت ظاهری مختلف آب و هوا ایجاد و بررسی شدند. برای ایجاد الگوی جریان حبابی در ورودی هوا از یک توزیع کننده هفت طبقه با قابلیت تغییر در تعداد حباب های تولید شده، استفاده شده است. تاثیر سرعت ظاهری هر فاز بر الگوی جریان مورد ارزیابی قرار گرفت و نقشه الگو جریان برای320 داده مختلف رسم شد. به کمک پردازش تصاویر بدست آمده از دوربین سرعت بالا، سرعت میانگین حباب تیلور برای حالت های جریاتی مختلف به همراه عدم قطعیت در محاسبه سرعت محاسبه شد. همچنین به کمک نتایج بدست آمده برای 5 سرعت مختلف از فاز مایع نمودار تغییر سرعت متوسط حباب تیلور با افزایش سرعت فاز گازی رسم و با رابطه نیکلین مقایسه شد.

    کلیدواژگان: جریان دوفازی، لوله عمودی، روش تجربی، الگوی جریان، سرعت حباب تیلور
  • علیرضا مرادی، فتح الله امی*، زهیر صبوحی، محسن بهرامی صفحات 767-781

    موتور گرماصوتی یک ابزار جهت بازیابی انرژی است که با استفاده از ویژگی حمل انرژی به کمک امواج صوتی،  امکان تولید توان صوتی از انرژی حرارتی را فراهم می کند. هرچند ساخت موتورهای گرماصوتی به جهت نداشتن قطعات متحرک، کار چندان دشواری نیست، اما محققان بسیاری همواره تلاش نموده اند تا اختلاف دمای مورد نیاز جهت راه اندازی موتورهای گرماصوتی را کاهش دهند تا این دستگاه در اکثر صنایع مورداستفاده قرارگیرد. جهت بررسی شرایط شروع سیستم، تغییرات دما در بخش استک یک موتور گرماصوتی موج ایستا مورد بررسی قرار گرفت. بررسی عددی تغییرات دما در طول استک، به کمک معادلات گرماصوتی رات صورت گرفت. محاسبه دما در طول استک به صورت لحظه ای صورت می گرفت که این روند تا لحظه برقراری تعادل حرارتی در سیستم ادامه می یافت. جهت اعتبار سنجی منحنی های دمای به دست آمده در زمان های مختلف، موتور گرماصوتی موج ایستا با یک انتهای باز طراحی و ساخته شد. این موتور گرماصوتی قادر به نمایش دما به صورت لحظه ای در طول استک با آرایش صفحات موازی بود. داده های حاصل از تست های تجربی و نمودارهای تغییرات دمای منتجه از روش حل عددی، مطابقت خوبی را برای فرآیند شروع عملکرد سیستم با یک دیگر نشان دادند.

    کلیدواژگان: موتور گرماصوتی، موج ایستا، استک، فرآیند شروع، حل عددی
  • علی حسنی، عباس بطالبلو، سید احمد خلیل پور سیدی، حمیدرضا تقی راد* صفحات 783-795

    استخراج مدل دینامیکی دقیق بازوان رباتیکی به منظور استفاده در فرایند طراحی ربات، کنترل، کالیبراسیون و شناسایی خطا امری ضروری است. به منظور استخراج مدل دینامیکی دقیق از بازوان رباتیکی، نیاز است تا تمامی ترم های موثر بر دینامیک ربات مورد بررسی قرار گرفته و سپس پارامتر های دینامیکی ربات با سازگاری فیزیکی مناسب مورد شناسایی قرار گیرند. در این مقاله، در ابتدا سینماتیک ربات موازی کروی ارس دیاموند، که به منظور عمل ویترورتینال چشم پزشکی توسعه داده شده است، مورد مدل سازی قرار گرفته، سپس با ارایه فرمول بندی مبتنی بر اصل کار مجازی، فرم خطی از مدل دینامیکی ربات حاصل شده و نتایج با استفاده از نرم افزار سیم مکانیکس متلب مورد صحت سنجی قرار می گیرند. افزون بر این، سایر ترم های موثر بر دینامیک ربات بررسی و مدل سازی شده و با استفاده از فرم خطی دینامیک ربات و درنظرگرفتن قید های فیزیکی مناسب، پارامترهای دینامیکی ربات توسط روش کمترین مربعات با سازگاری فیزیکی مناسب شناسایی می شوند. درنهایت، با استفاده از معیار درصد سازگاری ریشه میانگین مربعات خطای نرمال شده و استفاده از مسیرهای مختلف حرکت ربات، کیفیت پارامترهای دینامیکی شناسایی شده مورد ارزیابی قرار می گیرند. نتایج صحت سنجی تجربی نشان دهنده تخمین هفتاد و پنج درصدی گشتاور ربات و مثبت معین شدن ماتریس جرمی ربات بوده، که استفاده از کنترلرهای مدل مبنای رایجی نظیر گشتاور محاسبه شده، به منظور کنترل دقیق حرکت ربات در عمل جراحی ویترورتینال چشم را میسر می سازد.

    کلیدواژگان: ربات های موازی کروی، فرم خطی دینامیک ربات های موازی کروی، شناسایی دینامیک ربات ها با سازگاری فیزیکی، کالیبراسیون دینامیکی ربات های موازی کروی
|
  • Sakineh Fotouhi* Pages 719-728

    Composite structures under impact loading are prone to a variety of damage mechanisms such as delamination, fiber breakage, or matrix cracking. It is proven that the impact-induced damage mechanisms of composite materials are dependent on scaling (in-plane and out-of-plane) and layup configurations.  The present study has investigated the effect of scaling and layup configurations on the failure mechanisms of composite materials under low-velocity impact force using acoustic emission, C-scan and CT-scan tools. For this purpose, four samples with quasi-isotropic configurations of [45m/0m/90m/-45m]ns were manufactured, then they were loaded and acoustic signals were recorded. The three IS, PS, and SS samples were investigated based on D62624/D6264M ASTM standard test and the R sample had half of the in-plane dimension of them. The variables m and n vary according to the design plan. The obtained acoustic emission data were analyzed using sentry function, then C-Scan and CT-scan were utilized for damages’ size and location.   It was proven that scaling and layup configuration affect the type and intensity of damage mechanisms as well as mechanical behavior of the laminated composites. Furthermore, the acoustic emission method is shown as an indicator of scaling and layup configuration effects in glass/epoxy composite materials under the low-velocity impact.

    Keywords: CT-scan, Glass, Epoxy, Composite Materials, Configuration, Scaling, Impact, Acoustic Emission, C-scan
  • Mojtaba Haghgoo, Hashem Babaei*, Tohid Mirzababaie Mostofi Pages 729-742

    Numerical simulation of Eulerian fluid Lagrangian solid interaction incorporating H2-O2 mixture gas detonation plate forming by employing conservative element and solution element immersed boundary method in LS-DYNA software is proposed in this paper. The detonation mechanism includes 7 species and 16 reactions. The chemical reaction mechanism and detonation wave propagation of Eulerian solver and dynamic plastic response of mild steel thin plate of Lagrangian solver are discussed thoroughly. The Johnson-Cook phenomenological material model with failure criterion is used to provide accurate predictions of dynamic response and failure state of detonation loaded steel plates taking into account material strain-rate sensitivity and non-linearities. The 2D numerical model is validated by comparing the simulation results with experimental data for thickness strain. The simulated pressure-time history of combustion cylinder, von Mises stress and deflection pattern of plate are also represented. Furthermore, a series of numerical simulation was carried out to determine the effect of the magnitude of internal detonation pressure on plate, taking into account different combustion cylinder longitudinal capacities, pre-detonation pressures and ignition point locations. Results show that an increase of pre-detonation pressure is conducive to increase the value of maximum detonation pressure while decreasing the combustion duration. Moreover, combustion cylinder with higher longitudinal capacity is more powerful to deform the plate.

    Keywords: Numerical simulation, Chemical reaction, Fluid-solid interaction, Immersed boundary method, Gaseous detonation
  • Mohammad Mazidi Sharfabadi*, MohammadIman Ghiasi, Ali Seraj Pages 743-755

    In this paper, the performance of a typical 190 W photovoltaic cell, located in Research Institute of Petroleum Industry, Tehran, Iran, has been studied and evaluated from the energy and exergy point of view. A computer code has been developed for modeling and determining the electrical characteristics of the system such as open circuit voltage, short circuit current, system resistances, maximum power point properties and characteristic curves. The operational and electrical parameters of the system and the environmental conditions such as solar radiation, wind speed and ambient temperature have been experimentally measured and logged on one typical day of May. For the validation of model, the results obtained from the model have been compared with the data reported by the manufacturer as well as the experimental data. The results show that the energy efficiency varies from 11.22 to 13.94 percent during the study period (7:30 AM to 5:30 PM) and its average is equal to 13.19 percent. The exergy efficiency also varies from 14.77 to 16.66 percent during the study period and its average is 15.62 percent.

    Keywords: Photovoltaic Cell, Characteristic Curves, Energy Efficiency, Exergy Efficiency, Solar Plant
  • Mohamadhossein Ramezani*, MohammadMehdi Noroozi, Reza Madahian, MohammadReza Ansari Pages 757-765

    The purpose of this study is to generate two-phase flow patterns and to obtain a flow pattern map for two phases as water and air in a vertical pipe which is made of transparent Plexiglas. The pipe specification is 50 mm diameter and 390 cm length. In this attempt the average velocity of the Taylor bubble will be calculate. In order to facilitate this research work, a two phase flow was designed, built and adjusted at Tarbiat Modares University Two-phase flow laboratory. Three flow patterns as bubbly, slug and churn flow are generated and examined for 320 runs of different superficial velocities of air and water. A seven-layer distributor with the ability to change the number of bubbles produced is used to create a bubbly flow pattern at the air inlet. The effect of the superficial velocities of each phase on the flow pattern was evaluated and a flow pattern map was presented for 320 different data. By processing the images obtained from the high-speed camera, the average Taylor bubble velocity was calculated for different flow conditions with uncertainty in calculating the velocity. Also, for 5 different velocities of the liquid phase, a diagram of the average velocity of Taylor velocity with increasing gas velocity was drawn and compared with the Nicklin correlation which can be found in the literature

    Keywords: two-phase flow, vertical pipe, experimental method, flow pattern, Taylor bubble velocity
  • Alireza Moradi, Fathollah Ommi*, Zoheir Saboohi, Mohsen Bahrami Pages 767-781

    Thermoacoustic engine is an energy conversion device that uses the energy carrying capacity of sound waves to generate sound power from thermal energy. Although it is not difficult to build thermoacoustic engines due to having no moving parts, many researchers have always tried to reduce the temperature difference required to run thermoacoustic engines, so that these devices can be used in most industries. To investigate the onset conditions of the system, temperature changes in the stack section of a standing wave Thermoacoustic engine were investigated. Numerical analysis of temperature changes along the stack, was performed using the rotts thermoacoustic equations. The temperature was calculated instantaneously along the stack, and this process continued until the thermal equilibrium was established in the system. A standing wave with an open end was designed and built to validate the temperature curves obtained at different moments. This thermoacoustic engine was able to display the temperature instantaneously along the stack with parallel plates structure. The data obtained from the experimental tests and the temperature changes diagram resulting from the numerical solution method, showed a good agreement with each other for the onset process in the system.

    Keywords: Thermoacoustic Engine, Standing Wave, Stack, Onset Process, Numerical analysis
  • Ali Hassani, Abbas Bataleblu, Seyed Ahmad Khalilpour, Hamid D. Taghirad* Pages 783-795

    Deriving the accurate dynamic model of robots is pivotal for robot design, control, calibration, and fault detection. To derive an accurate dynamic model of robots, all the terms affecting the robotchr(chr('39')39chr('39'))s dynamics are necessary to be considered, and the dynamic parameters of the robot must be identified with appropriate physical insight. In this paper, first, the kinematics of the ARAS-Diamond spherical parallel robot, which has been developed for vitreoretinal ophthalmic surgery, are investigated, then by presenting a formulation based on the principle of virtual work, a linear form of robot dynamics is derived, and the obtained results are validated in SimMechanics environment. Furthermore, other terms affecting the robot dynamics are modeled, and by using the linear regression form of the robot dynamics with the required physical bounds on the parameters, the identification process is accomplished adopting the least-squares method with appropriate physical consistency. Finally, by using the criteria of the normalized root mean squared error (NRMSE) and using different trajectories, the accuracy of the identified dynamic parameters is evaluated. The experimental validation results demonstrate a good fitness for the actuator torques (about 75 percent),  and a positive mass matrix in the entire workspace, which allows us to design the common model-based controllers such as the computer torque method, for precise control of the robot in vitreoretinal ophthalmic surgery.

    Keywords: Spherical Parallel Robots, Linear form of Spherical parallel Robot Dynamics, Dynamic Identification of Robots with Physical Consistency, Dynamic Calibration of Spherical Parallel Robots