فهرست مطالب

مکانیک هوافضا - سال هفدهم شماره 4 (پیاپی 66، زمستان 1400)

فصلنامه مکانیک هوافضا
سال هفدهم شماره 4 (پیاپی 66، زمستان 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/12/23
  • تعداد عناوین: 8
|
  • سعید خان کلانتری، صدرا رفعت نیا، حسن محمدخانی* صفحات 1-14
    تعیین جهات بردارهای سیستم ناوبری اینرسی بر اساس جهات سیستم مرجع (هم ترازی) یکی از مهم ترین پارامترهای سیستم ناوبری می باشد. در این سیستم ها به دلیل نیاز به دقت بالا و عکس العمل سریع، هم ترازی در حرکت مورد توجه قرار می گیرد. در فرآیند هم ترازی در حرکت، به دلیل وجود خطاهای تصادفی در داده های حسگرهای واحد اندازه گیری اینرسی، استفاده از الگوریتم تلفیق مناسب برای ترکیب خروجی حسگرهای اینرسی و سامانه موقعیت یاب جهانی ضروری است. به همین دلیل در این مقاله به ارایه یک الگوریتم تلفیق مناسب برای هم ترازی در حال حرکت سیستم ناوبری اینرسی ترکیبی پرداخته می شود. برای این منظور در رویکردی جدید یک تخمین زن پیش بین با افق فازی ارایه خواهد شد، که در آن جهت افزایش دقت و همچنین کاهش بار محاسباتی، افق تخمین متناسب با مانور خودرو و به صورت فازی تغییر می کند. برای صحه گذاری بر الگوریتم ارایه شده در این مقاله از تست خودرو استفاده شده است. نتایج حاصل از تست نشان می دهد که با استفاده از فیلتر پیشنهادی، دقت تخمین متغیرهای حالت ناوبری اینرسی نسبت به سایر روش های متداول، همچون فیلتر کالمن به میزان قابل توجهی افزایش خواهد یافت. همچنین الگوریتم ارایه شده در این مقاله قوام بیش تری را نسبت به فیلتر کالمن در مقابل عدم قطعیت مدل سازی و اغتشاشات خواهد داشت.
    کلیدواژگان: سیستم ناوبری اینرسی ترکیبی، موقعیت یاب جهانی، هم ترازی در حرکت، تخمین پیش بین، افق فازی
  • مهدی فضلی، محمدهمایون صدر*، هادی قشوچی برق صفحات 15-27

    یکی از انواع سازه های تطبیق پذیر، صفحات مرکب دو یا چند پایداری هستند که با اعمال بارگذاری قادر به تغییرشکل و حفظ، حالت پایداری خود هستند. در این مقاله به بررسی رفتار صفحات مرکب دوپایداری هیبریدی شامل یک لایه آلومینیوم در یک طرف آن به عنوان روشی جدید برای ایجاد عدم تقارن در دوپایداری و در نتیجه کنترل پذیری صفحات دوپایداری پرداخته شده و نتایج مورد ارزیابی تجربی و عددی قرار گرفته است. در همین راستا، تغییرشکل صفحه در دو حالت پایداری و برای دو صفحه با لایه آلومینیوم (هیبریدی) و بدون لایه آلومینیوم، مقایسه شده است. در ادامه، میزان تغییرات انرژی کرنشی با تغییر دمای محیط و مدت زمان سرد شدن مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج این تحقیق نشان می دهد، اضافه کردن لایه آلومینیوم می تواند ضمن ایجاد بستری برای اتصال عملگرهای پیزوالکتریک، آلیاژهای حافظه دار و اعمال تغییرشکل از طریق تغییرات دمایی، در صورت اتصال به صفحات دیگر، منجر به پیوستگی در مرزهای ناپیوسته شده و گزینه ای مناسب برای ایجاد تغییرشکل های پیوسته در سازه های هوافضایی نظیر انعکاس دهنده های رادیویی و سطوح کنترل پرواز باشند.

    کلیدواژگان: چند لایه دوپایداری، سازه های تغییر شکل پذیر، صفحه مرکب هیبریدی
  • سعید سهیلی*، حسین دل آرامی صفحات 29-38
    رانندگان وسایل نقلیه در طول رانندگی به طور دایم در معرض ارتعاش تمام بدن قرار دارند که این مسئله ممکن است منجر به بروز اختلالات اسکلتی- عضلانی، عصبی، قلبی عروقی، گوارشی و بروز سایر بیماری های شغلی ناشی از ارتعاش گردد. در این مقاله ابتدا معادلات سیستم دینامیکی غیر خطی بدن نشسته انسان بر روی مدل نیم خودرو به صورت تحلیلی بررسی می شود و معادلات با استفاده از سری تیلور خطی سازی می گردد. سپس معادلات به دست آمده در فضای حالت توسط نرم افزار متلب به شکل عددی تحلیل می شود و برای طراحی کنترل کننده چند متغیره از تحقق کانونیکال و تبدیلات همانند استفاده می گردد. در نهایت با استفاده از الگوریتم ژنتیک، بهینه سازی عملکرد کنترل کننده سیستم دینامیکی با هدف کاهش ارتعاشات وارد بر کل بدن انجام می گردد. بررسی نتایج نشان می دهد که با درنظر گرفتن برآیند دوجهت، میزان شتاب RMS وزنی در دو راستای افقی و عمودی از بدن انسان، بدون کنترلگر برابر با m/s2 76/2 است، با استفاده از کنترلگر به میزان m/s2 27/0 می رسد و با به کار بردن کنترل بهینه این میزان به m/s2 06/0 کاهش می یابد؛ که نشان می دهد راهبرد کنترلی عملکرد قابل قبولی داشته و به خوبی موجب کاهش ارتعاشات وارد بر بدن شده است.
    کلیدواژگان: بدن نشسته انسان، مدل نیم خودرو، تحقق کانونیکال، الگوریتم ژنتیک، جاده تصادفی
  • پرویز کحال*، محسن قاسمی، محمد کشفی صفحات 39-54
    روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی اولین بار در سال 1991 میلادی توسط موسسه جوشکاری بریتانیا به عنوان روش اتصال حالت جامد ابداع و برای جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم به کار گرفته شد. این روش، بازدهی انرژی بالا و سازگاری خوبی با محیط زیست دارد. در مجموع، فرآیند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی مناسب فلزاتی است که نقطه ذوب پایین داشته و جوشکاری ذوبی آن ها کیفیت مطلوبی ندارد. در این پژوهش بهینه سازی چند هدفه خواص مکانیکی در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی آلیاژ آلومینیوم AH12 1050 با استفاده از ترکیب روش های سطح پاسخ و بهینه سازی چند هدفه ازدحام ذره انجام شده است. همچنین، برای طراحی آزمایش از روش تاگوچی استفاده شده است. در این روش متغیرهایی از جمله قطر پین ابزار، قطر شانه، سرعت دورانی، سرعت پیشروی و زاویه انحراف به عنوان متغیرهای فرآیند و 3 متغیر استحکام نهایی، چقرمگی و سختی در منطقه متاثر از حرارت و کار مکانیکی به عنوان توابع هدف انتخاب شده اند. علاوه بر این تمام بررسی ها بر روی دو نوع پین استوآن های رزوه دار و مخروطی ساده و به صورت آزمایشگاهی انجام شده است. در نهایت نتایج بهینه سازی و دقت حداقل 93% پیش بینی نشان دهنده انطباق خوب مدل پیش بینی کننده سطح پاسخ و آزمایش می باشد.
    کلیدواژگان: جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، خواص مکانیکی، روش سطح پاسخ، بهینه سازی چند هدفه و ازدحام ذره
  • حمید علی رضوانی، علی داور*، محسن حیدری بنی، جعفر اسکندری جم، مجید اسکندری شهرکی صفحات 55-79
    در سازه های هوافضایی به دلیل نوسانات منابع تحریک کننده مانند نیروی پیشران موتور، امکان بروز پدیده ناپایداری دینامیکی که پدیده ای مخرب است، وجود دارد. لذا در این مقاله پایداری دینامیکی پوسته های استوانه ای کامپوزیتی چندلایه که با تقویت کننده مشبک ایزوگرید مقاوم شده است تحت بارگذاری ترکیبی نیروهای استاتیکی و متناوب با استفاده از نظریه دانل برای پوسته های جدار نازک مورد بررسی قرار گرفته است. با استفاده از روش سفتی معادل، سفتی سازه های مشبک کامپوزیتی نیز به روش آغشته سازی از تقویت کننده ها محاسبه شده است. بسط یک مد نرمال برای معادلات حرکت منجر به سیستم معادلات متیو- هیل می گردد. از روش بولتین برای تعیین نواحی ناپایداری برای حل معادلات متیو- هیل شده است. تاثیر مولفه های تقویت کننده های مشبک ایزوگرید از قبیل زاویه ریب ها، فاصله ریب های محیطی و حلقوی، سطح مقطع ریب ها و همچنین تاثیر نسبت های طول پوسته استوانه ای به شعاع و ضخامت به شعاع مورد آزمایش و مقایسه قرار گرفته است. اعتبارسنجی نتایج فرکانس طبیعی و پایداری دینامیکی با مقایسه با نرم افزار آباکوس و همچنین مقالات دیگر محققان صورت پذیرفته است. نتایج نشان می دهد که با کاهش زاویه ریب های مارپیچ، در پوسته های استوانه ای مشبک کامپوزیتی فرکانس اصلی ناپایداری افزایش و وسعت ناحیه ناپایداری کاهش می یابد.
    کلیدواژگان: پوسته استوانه ای مشبک کامپوزیتی، پایداری دینامیکی، نظریه دانل، معادلات متیو- هیل
  • مجتبی قمری زاده، حسین خدارحمی*، توحید میرزا بابای مستوفی صفحات 81-95
    ورق های ساندویچی سازه های مورد توجهی برای جذب انرژی انفجار می باشند. لهیدگی و تغییرشکل پلاستیک هسته به همراه خمش پلاستیک رویه های ورق ساندویچی مهم ترین عوامل جذب انرژی انفجار در این سازه ها می باشند. اجزا سازه پس از انفجار و جذب انرژی دچار تغییرشکل دایمی قابل توجهی می شوند. در سازه های مدور که دارای هندسه و بارگذاری متقارن هستند، بیشترین مقدار تغییرشکل در مرکز رویه تحتانی سازه اتفاق می افتد. در این مقاله به روش تحلیلی و تجربی رفتار دینامیکی سازه و تغییرشکل ورق های ساندویچی مدور فلزی با هسته لوله ای تحت بار انفجار بررسی شده است. در این مطالعه برای چیدمان لوله های هسته از ترکیب شعاعی غیرهمرس استفاده شده است که ترکیب جدیدی محسوب می شود و به شکل منظمی در هسته تعبیه شده اند. آزمایش تجربی با ساخت ورق های ساندویچی تحت بار انفجار و به روش انفجار آزاد، به منظور ارزیابی و صحت سنجی نتایج تحلیلی انجام شده است. حل تحلیلی به کمک روش انرژی و با برقراری تعادل انرژی جنبشی و کار پلاستیک انجام شده به وسیله اجزاء مختلف سازه ورق ساندویچی، انجام شده است. خیز بیشینه، میزان له شدگی هسته و انرژی جذب شده توسط اجزاء مختلف برای چند نمونه مختلف مورد مطالعه قرارگرفته است. انطباق خوبی بین نتایج تحلیلی و تجربی وجود دارد.
    کلیدواژگان: پاسخ دینامیکی، بار انفجار، ورق ساندویچ، هسته لوله ای
  • نعمت الله قهرمانی*، حسن الحسن صفحات 97-108

    در این مقاله، یک روش جدید به نام فیلترکالمن پیش بین تفاضلی تعمیم یافته برای افزایش دقت سامانه تلفیق GPS/INS در هنگام قطع سیگنال ماهواره ارایه شده است. این روش در آزمایشگاه اجرا و با استفاده از سخت افزارهای تهیه شده تست و ارزیابی شده است. معادلات حاکم بر سامانه ناوبری اینرسی غیرخطی هستند. فرایند خطی سازی در فیلتر کالمن توسعه یافته باعث ایجاد خطای ناشی از تقریب خطی سازی می شود. علاوه بر این، معلوم نبودن مشخصات دقیق نویزهای اندازه گیری و سیستم، باعث تولید خطا در تخمین می شود. در روش پیشنهادی، خطاهای مدل سازی مثل خطای خطی سازی و خطای ماتریس های وزنی نویز معادل خطای مدل فیلتر فرض شده و با بهره گیری از مفاهیم کنترل پیش بین و با استفاده از فیلتر کالمن تعمیم یافته خطا تخمین زده شده و سپس جبران می شود. در این مقاله ابتدا معادلات کامل روش جدید پیشنهادی و روابط موردنیاز برای تلفیق سامانه GPS/INS توضیح داده شده است. سپس، با بهره گیری از نتایج آزمایش ها، روش پیشنهادی جدید با روش فیلتر کالمن توسعه یافته مقایسه می شود. نتایج نشان می دهد که در الگوریتم جدید به دلیل توانایی آن در پیش بینی و جبران خطای مدل، هنگام قطع شدن سیگنال های گیرنده به مدت s 30، خطای موقعیت حدود 50% کاهش می یابد. این روش به طور قابل توجهی عملکرد سامانه ناوبری اینرسی را بهبود می بخشد.

    کلیدواژگان: فیلتر کالمن پیش بین تفاضلی تعمیم یافته، سامانه ناوبری اینرسی، خطای مدل سازی، سامانه ناوبری تلفیقی
  • فائزه حسینی، صبا محمد حسینی، امیر فرهاد احیایی* صفحات 109-117

    در مقاله حاضر، یک بررسی مقایسه ای نسبتا جامع از روش های شناسایی برخط بر روی مدل دینامیکی یک سیستم هواپیما ارایه شده است. برای این منظور ضمن معرفی انواع الگوریتم های موجود در این زمینه از الگوریتم های حداقل مربعات بازگشتی، حداقل مربعات تعمیم یافته بازگشتی، متغیرهای کمکی بازگشتی، ماتریس توسعه یافته، شبکه عصبی توابع پایه شعاعی و شبکه عصبی پرسپترون چند لایه با الگوریتم یادگیری پس انتشار برای شناسایی مدل فوق استفاده می شود. جهت انجام شبیه سازی ها و نیز آموزش شبکه های عصبی از مدل خطی شده و داده های هواپیمای بویینگ 747 که توسط کنترل کننده مد لغزشی بر روی مسیر مرجع دلخواه کنترل می شود، استفاده شده است. در نهایت نیز عملکرد روش های شناسایی مذکور ارزیابی و با یکدیگر مقایسه می شوند. بر اساس نتایج این مقاله، روش شبکه عصبی توابع پایه شعاعی به دلیل عدم استفاده از مدل خطی سیستم، تخمین دینامیک نویز، عدم نیاز به مدل سیستم و دقت بالاتر در عین سرعت مناسب، از برتری چشمگیری نسبت به سایر روش ها برخوردار است.

    کلیدواژگان: شناسایی سیستم، کنترل مد لغزشی، الگوریتمهای بازگشتی، شبکه عصبی، توابع پایه شعاعی، پرسپترون چند لایه
|
  • Saeed Khankalantary, Sadra Rafatnia, Hassan Mohammadkhani * Pages 1-14
    The process of computing the true values of the direction cosine matrix (DCM) is one of the important parameters for exact navigation of vehicles. In other words, determination of the directions of the INS vectors in terms of the directions of the reference system (alignment) is one of the important parameters of a navigation system. In order to improve the performance of such systems, this procedure is done according to the inertial measurement unit (IMU) and global positioning system (GPS) data, when the vehicle is in motion. Duo to the stochastic noise and uncertainties in inertial measurement sensors, a data fusion algorithm is used to integrate the outputs of the IMU and GPS sensors. In this paper a novel variant horizon predictive model estimation algorithm is proposed to construct an integrated INS/GPS inertial navigation system. The horizon of the proposed algorithm is calculated based on the vehicle maneuvers. Several vehicular tests have been carried out to assess the long-term performance and accuracy of the proposed navigation algorithm. The results indicate that the proposed algorithm significantly enhances the overall navigation accuracy of low-cost integrated INS/GPS inertial navigation system, in comparison to the conventional Kalman filter algorithm.
    Keywords: Inertial Navigation System (INS), Global Positioning System (GPS), In-Motion Alignment, Predictive Estimation, Fuzzy Approach
  • Mahdi Fazli, MohammadHomayoun Sadr *, Hadi Ghashouchi Pages 15-27

    Bi-stable or multi-stable composite laminate is one of the adaptive structures that keep their stable states and modify their shapes by load application. This paper investigates the out of plane displacement of bi-stable hybrid composite laminate with an AL layer on one side. Adding the AL layer is a novel approach, introduced to create an asymmetric bi-stability that leads to a better control of the structure and the results are evaluated experimentally and numerically.  In this regard, the deformation of plates in two stable states, with and without the AL layer (hybrid) coating have been compared. Also, the strain energy changes with room temperature and cooling time have been investigated. Adding an aluminum layer can create a platform for connecting piezoelectric actuators, memory alloys, and thermal actuators. If these laminates are connected to other symmetric or asymmetric laminates, it is possible to create continuity over the discontinuous borders and decrease the stress concentration. These laminates are suitable devices for continuous modification of the shape of aerospace structures like reflector antennas and flight control surfaces.

    Keywords: Bi-Stable Composite Laminates, Adaptive Structures, Hybrid Composite Laminate
  • Saeed Soheili *, Hossein Delarami Pages 29-38
    A drivers’ body is continuously under various vibrations, resulting in different physical disorders such as muscle-skeletal defects, neurogenic diseases, cardiovascular problems, gastrointestinal disorders, etc. In this paper, firstly the nonlinear dynamic equations of a seated human body in the half car model are investigated analytically and linearized by means of the Taylor series. Then the obtained equations are analyzed numerically by the state-space method and employed for the design of multivariable controllers using the canonical and similar transformations. Finally, the controller performance of the system is optimized to suppress the transferred vibrations to the human body using the Genetic Algorithm (GA). The results show the RMS of human body acceleration in both the horizontal and vertical directions, to be 2.76m/s2 and 0.27m/s2, with and without the controller, respectively. It decreases to 0.06m/s2 with an optimized controller; which indicates that the controller acts satisfactorily and efficiently mitigates the human body vibrations.
    Keywords: Seated Human body, Half car model, Canonical transformation, genetic algorithm, Random Road
  • Parviz Kahhal *, Mohsen Ghasemi, Mohammad Kashfi Pages 39-54
    The friction stir welding method was first developed in 1991 at the British Welding Institute as a solid-state bonding method and employed for welding aluminum alloys. This method has high energy efficiency and good compatibility with the environment. In general, the frictional stir welding process is suitable for metals with a low melting point, whose melting welding is not of good quality. In this research, multi-objective optimization of the mechanical properties in the friction welding of AH12 1050 aluminum alloy has been performed experimentally using a combination of response surface methods and multi-objective particle swarm optimization. The Taguchi method has also been utilized to design experiments with two types of threaded cylindrical and simple tapered pins. Pin diameter, shoulder diameter, tool rotational speed, tool feed, and tool deviation angle are selected as the process variables. Specimen strength, toughness, and hardness are considered as objective functions. The optimization results and a prediction accuracy of more than 93%, show a good agreement between the surface prediction model and the experiments despite the complexity of the process.
    Keywords: Friction Stir Welding, Mechanical Properties, Response Surface Methodology, Multi-Objective Optimization
  • Hamid Alirezvani, Ali Davar *, Mohsen Heydari Beni, Jafar Eskandari Jam, Majid Eskandari Shahraki Pages 55-79
    In aerospace structures, due to the fluctuations of excitation sources such as the engine propulsion, there is a possibility of dynamic instability, which is a destructive phenomenon. In this paper, the dynamic stability of composite grid-stiffened cylindrical shells under a combinational loading of static and fluctuating forces has been investigated using the Dunnelly theory for thin-walled shells. Using the equivalent stiffness method, the stiffness of composite grid structures has also been calculated by the method of reinforcements impregnation. The development of a normal mode for motion equations leads to the system of Matthew-Hill equations. The Boltin method is used to determine the instability regions to solve the Matthew-Hill equations. The effect of iso-grid mesh reinforcement parameters such as the rib angle, circumferential and annular rib spacing and the rib cross section as well as the effect of cylindrical shell length to radius and thickness to radius ratios have been tested and compared. The validation of the natural frequency and dynamic stability results has been done by comparison with Abaqus software and other researchers' articles. The results show that by decreasing the angle of the helical ribs, in the shells of composite grid cylinders, the main instability frequency increases and the amplitude of the instability region decreases.
    Keywords: Composite grid-stiffened cylindrical shell, dynamic stability, Donnelly theory, Matthew-Hill equations
  • Mojtaba Ghamarizadeh, Hossein Khodarahmi *, Tohid Mirzababaie Mostofi Pages 81-95
    The sandwich panels are important structures for absorbing the explosion energy. Crushing and plastic deformation of the core along with the plastic bending of the faces are the main factors in absorbing the explosion energy in these structures. Structural components undergo significant permanent deformation after the explosion and its related energy absorption. In circular sandwich panels with symmetrical geometry and loading, the greatest amount of deformation occurs in the center of the back face. In this paper, the energy absorption of the structure and the deformation of circular metal sandwich panels with tubular core under explosion load have been studied analytically and experimentally. The tubes are arranged radially and symmetrically in the core constructions, which is a new configuration for the energy-absorbing sandwich panels in the literature. Experiments have been performed by making sandwich panels under free blast load in order to evaluate and validate the analytical results. The analytical solution is performed using the energy method by balancing the kinetic energy and the plastic work which is done by the different components of the sandwich panels. Maximum deflection, the amount of core crushing and the amount of energy absorbed by the whole structure and different parts of the structure are studied for different cases. There is a good agreement between analytical and experimental results.
    Keywords: Dynamic response, Explosion Load, Sandwich panels, Tube Core
  • NematOllah Ghahremani *, Hassan Alhassan Pages 97-108

    This paper proposes a new method called the generalized incremental predictive Kalman filter (GIPKF) to increase the accuracy of the integrated GPS / INS systems when the satellite signal is not available. This method is performed in the laboratory and tested and evaluated using the prepared hardware. The equations governing the inertial navigation system are nonlinear and the linearization in the extended Kalman filter causes the linearization approximation error. The uncertainties in the measurement noises and system noises also, produce errors in the estimation. In the proposed method, the model errors such as the linearization error and the weighted noise matrices errors are assumed as the model’s filter error and are estimated and compensated using the concept of predictive filtering and the application of Kalman filter. In this paper first, the complete equations of the new proposed method and the relations required to integrate the GPS/INS system are explained. Then using the results of the experiments, the proposed method is compared to the extended Kalman filter method. The results show that the presented algorithm is more efficient since, when the GPS outage is about 30 seconds, the position error is reduced by about 50% due to the new method’s ability to predict and compensate for the model error. This method significantly improves the performance of inertial navigation systems.In this paper, the complete equations of the proposed new method and the relations required to integrate the GPS/INS system are first explained. Then, using the test results, the proposed new method is compared with extended Kalman filter method. The results show that the presented algorithm is more efficient when the receiver signals are blocked due to its ability to predict and compensate for model error. This method significantly improves the performance of the inertial navigation system and corrects its errors.

    Keywords: Incremental Predictive Filter, Inertial Navigation System, Modeling Error, Integrated navigation system
  • Faezeh Hosseini, Saba Mohammad Hosseini, Amir Farhad Ehyaei * Pages 109-117

    In this paper, a fairly comprehensive comparative study has been done on online identification methods for the dynamic model of an aircraft system. To this aim, first, the existing algorithms in this field are introduced. Then, some of these approaches including the recursive least square, the recursive extended least square, the recursive instrumental variable, the extended matrix, the radial basis function neural network, and the multilayer perceptron neural network are utilized to identify the aircraft model. To carry out the simulations, and train the neural networks, the linearized model and online data of the Boeing 747 aircraft controlled by a sliding mode controller on an arbitrary reference trajectory are employed. Finally, the efficiency of each of the above-mentioned methods is evaluated and compared to the other approaches. According to the obtained results of this research, the radial basis function neural network method has a significantly superior performance over the other algorithms due to dynamic noise estimation, independence from the system model, rejecting the linear model of the system, and higher accuracy while maintaining the appropriate speed.

    Keywords: System Identification, Sliding Mode Control, Recursive Algorithms, neural network, Radial Basis Function, Multilayer Perceptron