فهرست مطالب

مهندسی مکانیک ایران - سال بیست و سوم شماره 3 (پیاپی 64، پاییز 1400)

نشریه مهندسی مکانیک ایران
سال بیست و سوم شماره 3 (پیاپی 64، پاییز 1400)

  • تاریخ انتشار: 1401/01/14
  • تعداد عناوین: 10
|
  • میرابوالفضل مختاری*، علی اصغر نادری، کاظم ایمانی، نوید عجب شیری صفحات 6-28

    در این پژوهش، به بررسی تاثیر افزودن نانوذرات در رفتار صفحات کامپوزیتی 12 لایه شیشه/ اپوکسی، تحت بارگذاری شبه استاتیکی برشی، به صورت تجربی پرداخته شد. در طی این پژوهش، تاثیر پارامترهایی نظیر افزودن نانو لوله های کربنی اصلاح شده با هیدرواکسید به ساختار کامپوزیت، سه سرعت بارگذاری 5، 250 و 500 میلی متر بر دقیقه و سه شکل هندسه نفوذکننده بر نتایج آزمون شبه استاتیکی بررسی شد. نتایج نشان داد که افزودن نانوذرات به ساختار کامپوزیت، باعث افزایش استحکام، کرنش شکست و همچنین انعطاف پذیری کامپوزیت می شود که این امر موجب می شود تا نفوذکننده، دیرتر از کامپوزیت خارج شود. همچنین با افزایش سرعت بارگذاری، استحکام کامپوزیت در برابر نفوذکننده افزایش می یابد و نیز با تغییر هندسه نفوذکننده، مکانیزم شکست تغییر می یابد.

    کلیدواژگان: نانو لوله، کامپوزیت، نفوذکننده، مکانیزم شکست
  • نیما طاهری، حمید سلیمانی مهر*، علی امام، عادل مقصودپور صفحات 29-60
    دلیل اصلی وجود سیستم های تعلیق در وسایل نقلیه، کاهش اثرات ناهمواری های مسیر روی سرنشینان و پیرو آن تامین آسایش آنان است. در این مقاله ضمن پیشنهاد مکانیزمی برای سیستم تعلیق، هدف افزایش راحتی سرنشینان خودروهایی است که در سطح شهر با سرعت مجاز تردد می کنند. برای این منظور به کنترل سیستم تعلیق پیشنهادی، با در نظر گرفتن اثرات مقدار وزن سرنشینان ، موقعیت مکانی آن ها (نشستن بر صندلی های جلو یا عقب)، سرعت خودرو و پروفیل دست انداز پرداخته می شود. مشاهده می شود که با اعمال کنترل، راحتی سرنشینان نسبت به حالت کنترل نشده  8 تا 28 درصد افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: وزن سرنشینان، سرعت خودرو، پروفیل دست انداز، شتاب
  • بابک ثقفی، مجید قریشی*، کیوان نارویی صفحات 61-74

    در این مقاله با به کارگیری روش اجزاء محدود اویلر-لاگرانژ دلخواه، جریان ماده و میزان برآمدگی استخوان در آزمایش فروروی نانو با خطای کمتر از 1% پیش بینی گردید. همچنین پارامترهای مناسب برای مدل دراکر-پراگر برای پیش بینی رفتار پس از تسلیم استخوان کورتیکال گاوی ارایه شد، به طوری که نتایج به دست آمده از میزان نیروی وارده بر استخوان برحسب جابجایی ابزار فرورونده، با انحراف کمتر از 5% از نتایج آزمایشگاهی بدست آمد. همچنین نشان داده شد که تغییر زاویه اتساع از صفر به 10 درجه تا 40% می تواند بیشترین نیروی وارد بر استخوان را افزایش دهد.

    کلیدواژگان: : استخوان کورتیکال، آزمایش فروروی نانو، روش اجزاء محدود، اویلر-لاگرانژ دلخواه، مدل دراکر-پراگر توسعه یافته
  • حسن محمدخانی*، حماد کشاورزپور صفحات 75-92
    در مقاله حاضر، تاثیر نویزهای آکوستیکی پرتوان فرکانس بالا بر پاسخ دینامیکی و صحت سیگنال حسگری ژیروسکوپ های ارتعاشی MEMS مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا، با در نظر گرفتن چارچوب محافظ معادلات دیفرانسیل دینامیک سیستم با چهار درجه آزادی استخراج شده و به صورت معادلات حالت بازنویسی شده اند. در این معادلات، اندرکنش امواج نویز آکوستیکی به شکل نیروی مکانیکی وارد شده به چارچوب محافظ ژیروسکوپ در نظر گرفته شده است. در ادامه، یک مدل سیمولینک از دینامیک ژیروسکوپ ارتعاشی MEMS پیاده سازی شده و سپس، اثر نویزهای پرتوان فرکانس بالای آکوستیکی هارمونیک و تصادفی بر عملکرد ژیروسکوپ مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین، تاثیر تغییرات پارامترهای مختلفی مانند فرکانس نویز هارمونیک، سطح فشار صوتی و ضریب کیفیت ژیروسکوپ بررسی شده اند.
    کلیدواژگان: میدان آکوستیکی، حسگرهای ناوبری، امواج فرکانس بالا، ژیروسکوپ MEMS، نویز سفید
  • محمدهادی عابدی خلوت، روح الله حسینی*، علیرضا نداف اسکوئی صفحات 93-113

    در تحقیق پیشرو که به بررسی تجربی اتصال فلز و کامپوزیت به روش اتصال اصطکاکی (FLJ) می پردازد، کامپوزیت الیاف شیشه با ماتریس ترموپلاست پلیمری PA6 با 20% وزنی الیاف چاپد شیشه و آلیاژ آلومینیوم 5052 مورد استفاده قرار گرفته ‏اند و هدف بررسی استحکام نمونه های متصل شده به روش اتصال اصطکاکی روی هم در دو حالت استاتیکی و خستگی و تحقیق در مورد اثر پارامترهای نرخ پیشروی، سرعت دورانی و عمق نفوذ مختلف برای هر نمونه بر خواص مکانیکی می باشد. پس از اتصال نمونه ها و انجام تست های مربوط مشخص شد که اتصال تحت تاثیر هر سه پارامتر قرار می گیرد، به طوریکه در عمق نفوذ کمتر و نرخ پیشروی بیشتر و سرعت دورانی متوسط بالاترین استحکام کششی حاصل شد. به نحوی که هر چه فشار و حرارت در ناحیه اتصال بیشتر می شد، ضخامت کامپوزیت موردنظر در ناحیه سطح مشترک نازک تر شده و باعث کاهش مقاومت اتصال می گردید. شکست اتصالات به دلیل وجود تخلخل و حباب های به وجود آمده در سطح مشترک اتصال بود. اتصالات در تست خستگی استحکام خوبی داشتند، به طوری که شکست 72% آن ها به صورت شکست چقرمه در سازه کامپوزیت بود و نه در محل اتصال بین کامپوزیت و فلز.

    کلیدواژگان: پلی آمید PA6، ترموپلاستیک، آلیاژ آلومینیوم 5052، اتصال اصطکاکی، تست خستگی، تست استاتیکی
  • نسیم انسان صفت، علی چائی بخش*، علی جمالی، رضا شهنازی صفحات 114-130

    در این مقاله، پایداری گروهی از سیستم های کنترل شبکه ای آبشاری با ارایه یک مدل زمان پیوسته جدید تحلیل شده، کنترل کننده مقاوم H∞ برای تضعیف اثر اغتشاشات طراحی می شود. هدف این تحقیق، ساده سازی تحلیل پایداری و میسر ساختن امکان بررسی ساختارهای مختلف بر مبنای مدل فضای حالت زمان پیوسته در این سیستم ها است. به این منظور، در اینجا با فرض انتقال اطلاعات شبکه ای بین کنترل کننده داخلی و عملگر، تاخیر و اتلاف اطلاعات به عنوان اثرات شبکه بررسی می شود. سپس، پایداری سیستم بر اساس نظریه لیاپانوف-کراسوفسکی و روش ماتریس وزن دهی آزاد تحلیل شده، بهره های کنترلی و حداکثر تاخیر مجاز تعیین می شوند. نتایج شبیه سازی، کارایی روش پیشنهادی را نشان می دهد.

    کلیدواژگان: کنترل شبکه ای آبشاری، معادلات حالت افزوده، کنترل مقاوم
  • احمدرضا خوگر*، ابراهیم ابوالقاسمی صفحات 131-151

    در مقاله حاضر طراحی سینماتیکی و بهینه سازی ابعادی هندسه یک بازوی رباتیک چهاردرجه آزادی (پالتایزر) انجام شده است. ابتدا هندسه اولیه با قابلیت حمل افقی بار طراحی شده است. سپس روی ابعاد هندسه ی سازه ربات بهینه سازی صورت گرفته و روش حل با استفاده از روش تحلیلی اعتبارسنجی شده است. بهینه سازی به نحوی صورت گرفته است که تغییرات ابعاد هندسی بازوها به عنوان پارامترهای طراحی، منتج به دریافت بهترین نتایج برای تابع هدف یعنی نیروهای مفصلی، تنش و تغییر شکل در بازوها و توزیع مناسب نیروی بار شود. با استفاده از روابط پارامتریک بدست آمده از نتایج بهینه سازی می توان مسیر کوتاه تری را برای طراحی ربات های مشابه طی نمود و به تبع آن با در اختیار داشتن هندسه ای بهینه، در طراحی های آتی می توان پارامترهایی همچون عدم افزایش ابعاد مقاطع بازوها برای غلبه بر تنش و تغییر شکل، عدم افزایش وزن کلی سازه و  به دنبال آن افزایش دقت، تکرارپذیری، توان حمل بار بیشتر، چالاکی ربات و بزرگ نشدن ابعاد کلی را بهبود بخشید.

    کلیدواژگان: بازوی رباتیک، بهینه سازی هندسی، المان محدود، مکانیزم متوازی الاضلاع
  • سید محمدحسین حسینی چالشتری، هادی آروین بروجنی*، محسن بت شکنان دهکردی صفحات 152-177

    در این مقاله به بررسی ویژگی های ارتعاشی میکروتیرهای چرخان اویلر-برنولی ساخته شده از مواد هدفمند در محیط گرمایی بر اساس تیوری تنش کوپل اصلاح شده پرداخته می شود. جهت در نظر گرفتن اثرات نیروی گریز از مرکز برای میکروتیرهای چرخان هدفمند از انرژی جنبشی میکروتیر چرخان استفاده شده که قادر به اصلاح اشتباه رایج در میکروتیرهای چرخان هدفمند بوده که اثر نیروی گریز از مرکز تنها به صورت یک نیروی محوری در نظر گرفته می شود. تاثیر پارامتر اندازه، تغییر دما، ضریب قانون توانی ماده هدفمند و نسبت لاغری بر فرکانس طبیعی اول و شکل مودهای اول و دوم بررسی می گردد.

    کلیدواژگان: میکروتیر چرخان، مواد هدفمند، روش المان محدود، روش نیوتن-رفسون، شکل مود
  • ثریاسادات خضری تبار، حامد غفاری راد*، محمد زارعی نژاد صفحات 178-200
    در این پژوهش، برداشت انرژی به وسیله حسگر دولایه پیزوالکتریک در حالت تک مود غیرخطی و نیز یافتن شرایط بهینه عملکردی برای استخراج توان، مورد بررسی قرار گرفته است. معادلات غیرخطی با پیشنهاد آنتالپی الکتریکی غیرخطی مناسب و با استفاده از روش لاگرانژ به دست آمده است. همچنین به کمک روش های اغتشاشات و بر اساس نتایج تجربی، مدل شناسایی گردیده است. نتایج حاکی از وجود دمپینگ مرتبه 2 و سختی مرتبه 3 به بزرگی  و  می باشد. در نهایت برداشت انرژی غیرخطی بررسی و مقاومت الکتریکی برای توان الکتریکی بهینه برابر با  بدست آمد.
    کلیدواژگان: برداشت انرژی، حسگر پیزوالکتریک، مدلسازی غیرخطی، توان بهینه
  • یاور نورالهی گلوجه، مهدی ابطحی* صفحات 201-220
    در این مقاله به تحلیل دینامیک آشوبناک و کنترل آشوب خودرو طبق الگوریتم فیدبک تاخیری توسعه یافته بر پایه مود لغزشی پرداخته شد که ضریب کنترلی آن با استفاده از منطق فازی بطور آنلاین محاسبه می شود. ابتدا دینامیک عمودی خودرو با تعلیق فعال توسط معادلات نیوتون-اویلر مدل سازی شد و به منظور بررسی آشوب از تابع چگالی طیف توان و نمودارهای دوشاخگی استفاده می شود. برای حذف رفتارهای آشوبناک، الگوریتم نوین کنترلی فازی-لغزشی فیدبک تاخیری طراحی شد که نتایج شبیه سازی سیستم حاکی از بهبود رفتار دینامیکی در کاهش زمان نشست، حذف فراجهش و کاهش مصرف انرژی به همراه حذف ارتعاشات آشوبناک بوده است.
    کلیدواژگان: کنترل آشوب، فیدبک تاخیری، فازی-لغزشی، نمودار دوشاخگی
|
  • M. Abolfazl Mokhtari *, AliAsghar Naderi, Kazem Imani, Navid Ajabshiri Pages 6-28

    In this study, the effect of nanoparticles addition on the behavior of 12-layer glass/epoxy composite plates, under quasi-static shear loading, was investigated experimentally. In this research, the effect of parameters such as the addition of hydroxide modified carbon nanotubes to the composite structure, three loading speeds of 5, 250 and 500 mm/min and three forms of permeable geometry on quasi-static test results were investigated. The results showed that adding nanoparticles to the composite structure increased the strength, fracture strain and flexibility of the composite, which would allow the penetrant to exit the composite later. Also, as the loading rate increases, the strength of the composite against the permeant increases and as the permeate geometry changes, the fracture mechanism changes.

    Keywords: Nano tube, Composite, Penetrator, Fracture mechanism
  • Nima Taheri, Hamid Soleimanimehr *, Ali Imam, Adel Maghsoudpor Pages 29-60
    Making passengers feel comfortable during their commuting and travels can be identified as one of the main goals of the suspension systems in vehicles. This goal can be achieved by reducing the negative impacts of bumps of roads and streets on vehicles and its passengers.The purpose of this paper is to reduce the negative impacts of streets on occupants of cars who pass in speed limited zones in urban routes and consequently enhance their comfort by proposing a new mechanism in field of suspension system of vehicles. To this end, this paper investigates the suspension system control considering the effects of weight of passengers, their sitting position (sitting on rear or front seats of car), speed of vehicle and profile of speed bumps.It will be observed by applying control over the suspension system, comfort of passengers, compared to the uncontrolled state, will be enhanced by 8 to 28 percent.
    Keywords: Weight of passenger, Vehicle speed, Bumps of roads, acceleration
  • Babak Saghafi, Majid Ghoreishi *, Keivan Narooei Pages 61-74

    Nano-indentation test is one of the most common method to study the material post-yielding behavior providing a suitable material model. Nowadays, this test is also used to investigate the pressure-dependent behavior and other mechanical behaviors of bone. Different material models such as Johnson-Cook, von-Mises, Drucker-Prager, and Hill models have been presented to consider the anisotropy, pressure dependency, strain rate, and temperature dependency of cortical bovine bones similar to human bone in tension and compression.In the present study, using the Arbitrary Eulerian-Lagrangian (ALE) finite element method in Abaqus software with appropriate contact conditions, the material flow and the results of bone pile-up was well predicted with an error of less than 1%. Also, suitable parameters of the extended Drucker-Prager model for predicting post-yielding bovine cortical bone behavior were presented such that the force-displacement curve of test, showed less than 5% deviation from the experimental results. The friction angle 46°, and zero-degree dilation angle along with the frictional contact conditions between the tool and the bone with a coefficient of 0.3 provided the best parameters to predict post-yielding behavior. It was also shown that changing the angle of dilation from zero to 10 degrees can increase the maximum force applied to the bone up to 40%.

    Keywords: Cortical bone, Nano-indentation test, finite element method, Arbitrary Lagrangian Eulerian method, Extended Drucker-Prager model
  • Hasan Mohammadkhani *, Hemad Keshavarzpour Pages 75-92
    In the present article, the effects of high-power high-frequency acoustic noise on the dynamical response and fidelity of the sensing signal of the MEMS vibratory gyroscopes are investigated. At first, differential equations of motion the system with four degrees of freedom by considering the frame of the gyroscope are derived and rewritten in state-space form. In these equations, the interaction of the acoustic noise with the gyroscope is modeled as a mechanical force. Then, a Simulink model of the MEMS vibratory gyroscope dynamics is established and the effects of harmonic and random high-power high-frequency acoustic noises on the performance of gyroscope are studied. Influences of different parameters such as harmonic noise frequency, sound pressure level and quality factor of the gyroscope are explored. Numerical simulation results show the proximity of the noise frequency to the resonance of the gyroscope as well as pressure level deteriorate the sensing signal while the quality factor of the system rejects noise effects.
    Keywords: Acoustic field, Navigation sensors, high-frequency waves, MEMS gyroscope, white noise
  • MohammadHadi Abedi, Rouhollah Hosseini *, Alireza Naddaf Oskuyi Pages 93-113

    Combination of metal and composites are frequently used in manufacturing structures.Therefore it is a great importance to join these mat ends composite and metals strongly. Thisjoint between metals and composites plays a key role in hybrid designs. Hybrid design is anewly appearing process for joining metals and composites, which have special and demandingproperties, such as higher strength, higher resistance to radiation and compatible design, etc. Inthe present study, which is an experimental investigation of joining metals and composites usingfriction lab joining (FLJ) method the composite is made up glass fibers, polymer PA6 asThermoplastic and 20% weighs glass fiber. Aluminum alloy (AL 5052) is used as metal.The goal of this study is to explore the strength of joint between composite and metal, which ismade using FLJ in two different ways (static and dynamic). During the study, progress rate,spinning speed and depth of penetration are parameters to be considered as effective on the jointstrength. The results showed that the joint properties and strength was affected by all 3mentioned Parameters, in which, when the penetration depth decreases and normal spinningspeed and progress rate increases, the most efficient joint properties (strength) has beenobtained. As pressure and temperature increases in the joining area, GFRTP gets thinner andthe joint becomes weaker. Due to porosity and voids in the joining area the joint can be failed.The strength of joints in specimen showed a good result in fatigue test. In 72% of the fatiguetest the failure occurred in composite itself not in joint between AL5052/GFRTP.

    Keywords: Thermoplastic, Friction connection, Fatigue Test, Static Testing
  • Nasim Ensansefat Masouleh, Ali Chaibakhsh *, Ali Jamali, Reza Shahnazi Pages 114-130

    In this paper, stability of a group of networked cascade control systems based on a new continuous-time model is investigated and H∞ state feedback controllers considering H∞ norm bounded constraint are designed in order to attenuate external disturbances. The main objective of this research is to simplify stability analysis and provide the possibility of considering different configurations based on a continuous-time state-space model for these systems.To this aim, here it is assumed that data transformation between the secondary controller and the actuator is performed through a communication network. Using communication networks would result in some imperfections such as communication delay and data packet loss which are considered in the modelling of the system. Then, the state-space equations of the systems are converted to an equivalent augmented state-space equation. Stability of the system is analyzed based on the Lyapunov-Krasovskii theorem and using free weighting matrix method and controller gains as well as maximum allowable delay bound are computed. Simulation results confirm the validity of the proposed method.

    Keywords: Networked Cascade Control System, Augmented Matrix, Robust control
  • AhmadReza Khoogar *, Ebrahim Abolghasemi Pages 131-151

    The most common types of mechanical arms are robots that are used as palletizing robots to transport light and heavy loads. In robots that are used to move heavy loads, increasing the carrying capacity of the robot while maintaining dexterously, accuracy, repeatability and lightness has always been one of the issues studied by researchers. With this approach, in the present paper, the kinematic design and dimensional optimization of the geometry of a four-degree robotic robotic arm have been performed. The primary geometry is designed using parallel parallelograms to allow horizontal load carrying. After the initial design of the geometry dimensions of the robot, using the finite element method, the geometric optimization of the structure has been done in such a way that changes in the geometric dimensions of the arms as design parameters result in receiving the best results for the objective function. Deformation of the arms and proper distribution of load force among all arms. Using the optimization results of this paper and achieving a set of parametric relationships for the geometry of the robot structure, a shorter path can be taken to design these robots and With optimal geometry, parameters such as not increasing the dimensions of the arm sections to overcome stress and deformation, not increasing the overall weight of the structure, followed by increasing accuracy, repeatability, more load carrying capacity, robot dexterously and not enlarging the overall dimensions of the robot Improve.

    Keywords: Robot Manipulator, Geometrical optimization, Finite element, Parallelogram Mechanism
  • Seyyed MohammadHossein Hosseini, Hadi Arvin Boroujeni *, Mohsen Botshekanan Pages 152-177

    The free vibration features of rotating functionally graded microbeams in thermal environmentare presented in this paper. The governing equations are extracted on the basis of the Euler-Bernoulli beam assumptions beside the modified couple stress theory. The finite elementmethod is applied on the weak form of the strain and the kinetic energies to extract the naturalfrequencies and the associated modeshapes. The nonlinear static equations of motion due to therotation and the thermal environment are treated employing the Newton-Raphson technique.Moreover, the natural frequencies are estimated from the linearized equations of motion aboutthe static configuration. After the validation of the present results, the rotation speed, thematerial length scale parameter, the temperature change, the power law exponent and theslenderness ratio impacts on the fundamental natural frequency and the first and the secondmodeshapes are examined. The outcomes indicate the increment of the natural frequency aftera threshold value of the power law exponent depends on a given rotation speed for the rotatingmicrobeams in comparison with the stationary microbeams. Furthermore, the modeshapes ofrotating functionally graded microbeams vary by the power law exponent while for stationaryfunctionally graded microbeams the modeshapes are invariant with respect to the power lawexponent even in the presence of the thermal environment.

    Keywords: Rotating microbeams, Functionally graded materials, finite element method, Newton-Raphson method, modeshape
  • Sorayya Sadat Khezritabar, Hamed Ghafarirad *, Mohammad Zareinejad Pages 178-200
    In recent years, researches on energy harvesting by piezoelectric ceramics have increased. Generally, linear electromechanical constitutive equations have been utilized to model the behavior of piezoelectric based harvester. But, the linear modeling shows erroneous output for high amplitude and frequency inputs. In these cases, due to nonlinear material behavior, the nonlinear modeling should be carried out. In this paper, the nonlinear behavior and optimum response of a symmetric bimorph cantilever under the base excitation is studied. Electromechanical formulation is based on the Euler-Bernoulli beam theory. A proposed nonlinear enthalpy is used to model the nonlinear dynamic using Lagrange equations. Applying the multiple scale perturbation method, the nonlinear coefficients are identified experimentally (μ ̅_1=3.0090×〖10〗^16 and _1=-4.5804×〖10〗^20 ). Then, nonlinear behavior of harvester has been analyzed considering generated voltage, current and beam deflection. Finally, using the results of Power FRF, the optimum load resistance is achieved to maximize the generated power (R_l=177.828 kΩ).
    Keywords: Energy Harvesting, Piezoelectric Sensor, Nonlinear Modeling, Optimum Power
  • Yavar Noorolahi Gloje, Mahdi Abtahi * Pages 201-220
    In this paper, the chaotic dynamic analysis along with chaos controller of an active suspension in vehicle has been studied. The unstable periodic orbits of the system are stabilized using the developed delay feedback control algorithm based on the fuzzy sliding mode system. Firstly, the equations of model are derived via Newton-Euler rules and then, power spectrum density and bifurcation diagrams have been used to confirm chaos in the system. Variations of the control parameters in the bifurcation diagrams demonstrate the changes of system behavior from the periodic to the irregular chaotic responses.Finally, to eliminate the chaos in the vertical dynamics of vehicle, a novel fuzzy sliding delay feedback control algorithm is developed on the active suspension. Using fuzzy logic, the controller gain of the sliding delay feedback control is online estimated that is caused to reject the chattering phenomenon in the sliding mode algorithm beside the improvement of the responses. Simulation results of the control system depict a reduction of settling time and energy consumption along with eliminating the overshoots and chaotic vibrations.
    Keywords: Chaos Control, Delay Feedback, Fuzzy-Sliding, Bifurcation Diagram