فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک مدرس
سال بیست و دوم شماره 5 (اردیبهشت 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/01/12
  • تعداد عناوین: 6
|
  • فتح الله طاهری بهروز*، مهدی ترابی صفحات 291-302

    در این پژوهش استحکام باقی مانده صفحات کامپوزیتی از جنس کربن / اپوکسی در برابر ضربه کم سرعت و تحت تاثیر چرخه حرارتی با استفاده از روش تجربی بررسی شده است. صفحات کامپوزیتی با لایه چینی [45/02/-45/902]s و ضخامت حدود 9/2 میلیمتر در سه سطح انرژی 10، 15 و 20 ژول و تحت 200  چرخه حرارتی در بازه دمایی 30- تا 65 درجه سانتیگراد تحت ضربه کم سرعت و آزمون استحکام فشاری قرار گرفته اند. در انجام آزمون های ضربه از دستگاه آزمون وزنه افتان استفاده شده است. برای بررسی رفتار کامپوزیت های آسیب دیده، منحنی های نیرو-زمان، نیرو-جابجایی و انرژی -زمان مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته اند. ارزیابی اثر چرخه حرارتی و آسیب های بوجود آمده در سطوح مختلف انرژی ضربه، با انجام تحلیل های رادیوگرافی و میکروسکوپ نوری تکمیل شده است. نتایج نشان دادند اعمال 200 چرخه حرارتی در بازه دمایی 30- تا 65 درجه سانتیگراد باعث ایجاد ترک های ریز در ماتریس شده و جذب انرژی در نمونه ها کاهش یافته است. بیشترین افت استحکام فشاری به میزان 12/31 درصد و مربوط به انرژی ضربه 20 ژول است. چرخه حرارتی در سطوح مختلف انرژی ضربه 10، 15 و 20 ژول با تکمیل فرآیند پخت کامپوزیت ها باعث افزایش سفتی و استحکام باقی مانده فشاری نمونه های کامپوزیتی شده است. نهایتا پارمترهای مادی مدل نیمه تجربی کاپرینو، برای تخمین استحکام باقی مانده فشاری نمونه های کامپوزیتی تحت چرخه حرارتی و ضربه کم سرعت استخراج شده است.

    کلیدواژگان: کربن، اپوکسی، ضربه کم سرعت، استحکام باقی مانده فشاری، مدل نیمه تجربی
  • حمیدرضا قهرمان، محمد هنرپیشه*، محمدباقر سرافرازی صفحات 303-310

    یکی از روش های شکل دهی لوله ها، روش خمکاری کششی-دورانی است. امروزه خمکاری لوله های جدارنازک با شعاع انحنای کم یک فرآیند تولیدی پرکاربرد در صنایع خودروسازی، نظامی و هوافضا به شمار می رود که برای خمکاری قطعات با استحکام بالا، استفاده می شود. در این مقاله ابتدا مدل های لازم برای انجام شبیه سازی فرایند خم لوله، ایجاد شد و در ادامه خصوصیات مکانیکی لازم برای فولاد 304 و الاستومرها تعیین گردید. در ادامه به بررسی تجربی و عددی نیروی شکل دهی و تغییرات ضخامت دیواره ی لوله پرداخته شد. شبیه سازی فرآیند با استفاده از مندرلهای الاستومری پلی یورتان و نیتریل با استفاده از نرم افزار المان محدود آباکوس بر روی فولاد 304 انجام گرفت که با مقایسه ی بین نتایج شبیه سازی و تجربی، انطباق خوبی بین نتایج مشاهده شد. همچنین اثرات پارامترهای فرآیند شامل جنس مندرل، قطر لوله و شعاع خم بر حداکثر نیروی شکل دهی توسط آنالیز فاکتوریال مورد تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان داد که حداکثر نیروی شکل دهی برای هر دو نوع جنس مندرل برای لوله هایی با قطر کم و شعاع انحنای بالا حاصل می گردد. همچنین، با افزایش 30 درصدی شعاع خم برای لوله های با قطر کمتر، نیروهای خمکاری 5 برابر می شوند. ضمنا، در قطر و شعاع خم برابر، نیروهای خمکاری در حالت استفاده از مندرل پلی یورتان 25 درصد بیشتر از مندرل نیتریل می باشد.

    کلیدواژگان: خمکاری کششی-دورانی، شبیه سازی اجزای محدود، لوله SS-304، نیروی شکل دهی، توزیع ضخامت
  • محمد تیزمغزنژاد، داود اکبری* صفحات 311-322

    برش نگاری دیجیتالی یکی از روش های نوین آزمون های غیرمخرب مبتنی بر نور لیزر است که برای اندازه گیری مشتق جابه جایی سطوح مورد استفاده قرار گرفته و به سرعت درحال توسعه و توانمدندسازی می باشد. در این روش با تکیه بر تداخل امواج لیزر بازتاب شده از سطح جسم، گرادیان جابه جایی نمونه تغییرشکل یافته تحت نوعی از بارگذاری، به طور مستقیم اندازه گیری می شود، لذا امکان ارزیابی غیرتماسی و تمام میدانی قطعه با سرعت و دقت بالا فراهم می گردد. یکی از مزایای عمده این روش، توانایی آن در شناسایی عیوب زیرسطحی در مواد مختلف از جمله کامپوزیت ها می باشد. در این مقاله نمونه های دارای ترک زیرسطحی از جنس مواد مرکب تقویت شده با الیاف شیشیه و الیاف کربن به کمک آزمون برش نگاری دیجیتالی مورد بازرسی قرار گرفته اند. همچنین مقادیر بهینه هر یک از پارامترهای اصلی برش نگاری شامل اندازه بارگذاری و فاصله برش، برای هر جنس با استفاده از طراحی آزمایش به روش تاگوچی بدست آمده است. نتایج نشان می دهد که برای هر نوع ماده ای یک مقدار بهینه از بارگذاری و اندازه برش وجود دارد که در صورت اعمال آن ها بهترین نتایج آزمون حاصل می گردد.

    کلیدواژگان: تداخل سنجی لیزری برشی، مواد مرکب، الیاف کربن، الیاف شیشه، عیب ترک
  • سید داود موسویان، علیرضا موستوفی زاده*، حجت قاسمی صفحات 323-333

    یکی از مشکلاتی که در زمینه ی آزمایش شکست جت های مایعات زمستیک وجود دارد، حالت مایعات زمستیک خروجی از انژکتور است. در برخی کاربردها لازم است تا جت در حالت مایع مادون سرد باشد. اما در شرایط اتمسفر متعارفی جت خروجی از انژکتور به صورت دوفاز در می آید. در این پژوهش سعی گردید تا روش های مادون سرد سازی نیتروژن خروجی از انژکتور بررسی شود و یک روش ساده برای نیل به این مقصود ارایه و به کار برده شود. با این روش که بر پایه نگهداری در فشار کم استوار است، جت نیتروژن مایع مادون سرد با دما حدود 7 کلوین پایین تر از دمای اشباع به دست آمد. سپس رفتار جت نیتروژن مایع، در محفظه ی آزمایش با فشار  اتمسفر آزمایشگاه و بالاتر ارزیابی شد. برای بررسی رفتار جت از عکس برداری سریع استفاده شده است. سرعت جت های نیتروژن مایع از 12 متر بر ثانیه تا 34 متر بر ثانیه منطبق بر عدد رینولدز از 90000 تا 260000 تغییر داده شد. زمانی که جت نیتروژن مایع، در محیط با شرایط استاندارد تخلیه می شود، جت خروجی دوفاز و منبسط می گردد. هرچه اختلاف فشار انژکتور بیشتر شود میزان انبساط جت بیشتر می شود؛ طوری که در اختلاف فشار 6 و 13 بار قطر جت به ترتیب 5/1 و 3/3 برابر قطر انژکتور است. برای اختلاف فشارهای کمتر از 6 بار، جت اغلب به صورت بخار وارد محیط می شود. در محدوده ی سرعت آزمایش، در شرایط تامین شده برای مایع و محیط، شکست جت مایع مادون سرد، منجر به تولید قطرات بسیار ریزی می شود که منطبق بر انتظار از چنین مایعی است.

    کلیدواژگان: جت مایع، مایع زمستیک، مایع مادون سرد، نیتروژن مایع، ترمودینامیک جت مایع زمستیک
  • امیرحسین اکبری چالشتری، پیام سرائیان*، شهرام اعتمادی حقیقی، احسان شکوری صفحات 335-345

    با توجه به دشواری ها و محدودیت های موجود در سنگ زنی مواد سخت، استفاده از نانوذرات در روش روانکاری کمینه، می تواند به عنوان راهکاری مناسب، در بهبود کارآیی سیالات روانکار تاثیرگذار باشد. در این پژوهش، به بررسی تاثیر استفاده از ترکیب نانو لوله کربنی و نانو اکسید مس بر روی کیفیت سطح آلیاژ اینکونل 718، طی سنگ زنی به روش روانکاری کمینه پرداخته شده است.نتایج نشان داد که در مقایسه با روغن سویا، استفاده از ترکیب نانو ذرات در روغن پایه کلزا، بهبود کیفیت سطح نمونه را در بر داشته است. بهترین توپوگرافی سطح با کمترین میزان حفره و شیار، با افزودن 3 درصد حجمی از ترکیب نانو ذرات در روغن پایه کلزا حاصل شد. به طوری که زبری سطح نمونه ها در این حالت، 243/0 میکرومتر گزارش گردید که در مقایسه با کمترین زبری سطح حاصل شده در حالت استفاده از نانو لوله کربنی و نانو اکسید مس به طور مجزا، به ترتیب در حدود 14% و 7% کاهش نشان داد. همچنین مقدار زبری سطح طی استفاده از ترکیب نانو ذرات در روانکاری کمینه، نسبت به حالت خشک، سیلابی و روانکاری کمینه با روغن پایه کلزا، به ترتیب در حدود 35%، 13% و 18% کاهش نشان داد.

    کلیدواژگان: سنگ زنی، اینکونل 718، روانکاری کمینه، زبری و توپوگرافی سطح، نانو لوله کربنی، نانو اکسید مس
  • حمیدرضا زارعی، پیام شاه نظر، محمد مسکینی، رضا سرخوش* صفحات 347-356

    الیاف پلی اتیلن با جرم ملکولی بالا از قوی ترین و سبک ترین الیاف موجود هستند که به طور گسترده در کاربرد های بالستیک با عملکرد بالا استفاده می شود. با وجود پیشرفت زیاد توان محاسباتی در سال های اخیر، به دلیل پیچیدگی رفتار شکست الیاف این کامپوزیت در اثر ضربه، محاسبات دقیقی برای شناسایی آسیب این الیاف انجام نشده است. در این پژوهش با استفاده از پیشرفته ترین روش مدل سازی المان محدود کامپوزیت ها (آباکوس- صریح) برای مطالعه رفتار الیاف این کامپوزیت در اثر برخورد پرتابه با سرعت بالا استفاده شده است. برای پوسته و تقویت کننده ها از المان جامد و برای تعیین رفتار ماده از معیار آسیب هاشین سه بعدی استفاده شده است. به دلیل عدم وجود این معیار در نرم افزار آباکوس و اهمیت استفاده از آن، این معیار توسط زیربرنامه وی یومت و کدنویسی در محیط فرترن به قابلیت آباکوس اضافه شده است. نمودار های تغییر سرعت و وقوع و گسترش خرابی گزارش شده اند. برای ارزیابی و اعتبارسنجی این روش، 6 نمونه پنل کامپوزیتی پلی اتیلن با جرم ملکولی بالا به ترتیب با تعداد 20 و 45 لایه ساخته شد و این پنل های کامپوزیتی مورد برخورد پرتابه سرعت بالا با سرعت های مختلف قرار گرفتند. در ادامه نتاج حاصل از شبیه سازی با نتایج تجربی مقایسه شد که نتایج حاصل از شبیه سازی توافق بسیار خوبی را با نتایج تجربی نشان می دهند.

    کلیدواژگان: برخورد سرعت بالا، کامپوزیت، المان محدود، وی یومت، پلی اتیلن با جرم ملکولی بالا
|
  • Fathollah Taheri Behrooz*, Mahdi Torbi Pages 291-302

    In this study, the residual strength of the carbon/epoxy composite plates exposed to the thermal cycles and subjected to low-velocity impact was evaluated using an experimental procedure. Composite plates with a layup of [45/02/-45/902]s and thickness of 2.9 mm under three impact energy levels of 10J, 15J, and 20J and exposed to 200 thermal cycles in the range of -30 to 65° C went under low-velocity impact and compression after impact tests. In performing impact tests, a drop weight test device was used to investigate the behavior of damaged composites, force-time, force-displacement, and energy-time curves at all test temperatures were analyzed. Finally, the effect of temperature and associated damages at different levels of impact was evaluated using radiographic analysis and optical microscopy. Applying 200 thermal cycles in the temperature range of -30 to 65 ° C caused small cracks in the matrix and reduced the energy absorption of the samples. The highest drop in compressive strength is related to the highest impact energy, 20 J, which has a 31.12% decrease in strength. The thermal cycle at different impact energy levels of 10J, 15J, and 20J has led to an increase in the stiffness and compressive strength of the composite specimens. Finally, material parameters of the semi-empirical Caprino model to estimate the residual compressive strength of the carbon/epoxy plates under low-velocity impact and thermal cycles are obtained.

    Keywords: Carbon, epoxy, Low-Velocity Impact, Compression after Impact, Semi-empirical Model
  • HamidReza Ghahreman, Mohammad Honarpisheh*, MohammadBagher Sarafrazi Pages 303-310

    One of the forming pipes methods is the rotary draw bending process. Today, bending of thin-walled pipes with low radius of curvature is widely used in the automotive, military and aerospace industries, which is used to bend high-strength pipes. In this paper, at first the necessary models were created to simulate the bending process of the rotary pipe, and then the necessary mechanical and physical properties for stainless steel 304 and elastomers were determined. Then, experimental and numerical study of the forming force and changes in pipe wall thickness were performed. The process simulation was analytically performed using polyurethane elastomeric mandrels and nitrile rubber based on ABAQUS finite element software on 304 steel. The results show a good agreement between simulation and experimental results. Finally, the effects of process parameters including mandrel type, pipe diameter and bending radius were analyzed on the maximum forming force by factorial analysis. The results showed that the maximum forming force for both types of mandrel materials is obtained for pipes with small diameter and high curvature radius. Also, the bending forces increase 5 times by 30%increasing the bending radius, for pipes with smaller diameters. In addition, in equal diameter and radius of bending, the bending forces in the case of using polyurethane mandrel are 25% more than nitrile mandrel.

    Keywords: Rotary draw bending, FEM, SS-304 pipe, Forming force, Thickness distribution
  • Mohammad Tizmaghznejad, Davood Akbari* Pages 311-322

    Digital Shearography is one of the new methods of non-destructive testing based on the laser beam which is used to measure the surface displacement derivatives. In this method, relying on the interference of two laser waves reflected from the object surface, the displacement gradient of the deformed sample can be measured directly. So that it is possible to evaluate the industrial parts in a non-contact and full-field way with a high speed and accuracy. One of the significant advantages of this method is the ability to detect subsurface defects in various materials, including composites. In this paper, samples with subsurface cracks made of composite materials reinforced with glass fibers and carbon fibers have been inspected by Digital Shearography testing. Also, the optimal values ​​of each main parameter such as shear distance and loading size for each material have been obtained using the Taguchi experiment design. The results show that for each type of material there is an optimal amount of loading amount and shear distance, which if applied, the best test results are obtained.

    Keywords: Laser interferometry, Composites, Carbon fiber, Glass fiber, Crack defect
  • Seyed Davood Moosavian, AliReza Mostofi Zadeh*, Hojat Ghassemi Pages 323-333

    One of the problems in the experiment of breakup cryogenic liquid jet is the state of discharged cryogenic liquid jet from injector. In some applications, it is necessary jet to be in the sub-cooled condition. However, at atmospheric condition, the discharged cryogenic liquid jet becomes two-phase. In the present article, the methods for sub-cooling of the liquid nitrogen jet are investigated and a simple method to achieve this goal is used. With this method, which is based on holding at low pressure, a sub-cooled liquid nitrogen jet with a temperature of about 7 K lower than the saturation temperature was obtained. Then, the behavior of the liquid nitrogen jet at high pressure and atmospheric pressure is evaluated. High speed camera was used to observe the behavior of the jet. The speed of liquid jet is changed from 12 m/s to 34 m/s according to the Reynolds number from 90000 to 260000. When the liquid nitrogen jet is discharged into the environment under standard conditions, the jet becomes two-phase and expands. The larger the injector pressure difference, the greater the expansion of the jet; So that in the pressure difference of 6 and 13 bar, the diameter of the jet is 1.5 and 3.3 times the diameter of the injector, respectively. In the test speed range, under the conditions provided for the liquid and the environment, the breakup of the sub-cooled liquid jet leads to the production of very small droplets that are consistent with the expectation of such a liquid.

    Keywords: Liquid jet, cryogenic liquid, sub-cooled liquid, liquid nitrogen, Thermodynamics of cryogenic liquid jet
  • AmirHosein Akbari, Payam Saraeian*, Shahram Etemadi Haghighi, Ehsan Shakouri Pages 335-345

    Due to the difficulties and limitations in grinding hard materials, the use of nanoparticles in the Minimum Quantity Lubrication method can be effective as an appropriate solution to improve the efficiency of lubricating fluids. In this study, the effect of using a combination of carbon nanotubes and copper nano oxide on the surface quality of Inconel 718 alloy during grinding by Minimum Quantity Lubrication has been investigated. The results showed that the use of nanoparticles in Rapeseed oil reduced the roughness and improved the surface health of the samples. The best surface topography with the least amount of pits and Furrows was obtained by combining nanoparticles with 3wt% in rapeseed oil, so that the surface roughness of the samples was reported 0.255 μm during this method, which is compared to the net use of CNT and CuO decreased by 14% and 3% respectively. Also, during the use of nanoparticles in minimum quantity lubrication, the amount of surface roughness compared to dry, flood and minimum quantity lubrication with rapeseed oil, decreased by about 35%, 13% and 18%, respectively.

    Keywords: Grinding, Inconel 718, minimum quantity lubrication, surface Roughness, topography, carbon nanotube, CuO nanofluid
  • Hamidreza Zarei, Payam Shahnazar, Mohammad Meskini, Reza Sarkhosh* Pages 347-356

    Ultra-High molecular weight polyethylene (UHMWPE) fibers are among the strongest and lightest fibers available and are widely used in high-performance ballistic applications. Despite the great advancement of computational analysis in recent years, precise calculations have not been performed to identify the failure of these fibers due to the complexity of the material behavior to impact. In this research, using the most advanced finite element modeling method of composites (Abaqus-Explicit) has been used to study the composite behavior of these fibers subjected to high-velocity projectile impact. Fiber and matrix are designed using solid elements and 3D Hashin failure criterion was used to determine the behavior of the material. Since this criterion is not available in Abaqus, the VUMAT subroutine has been used to implement this criterion. Velocity diagrams and damage evaluation have been reported. To evaluate and validate this method, six samples of Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) Composite panels, consisting of 20 and 45 layers, respectively, were experimentally studied by high-velocity projectiles at different velocities. The simulation results are in good agreement with the experimental results.

    Keywords: High velocity impact, Composite, VUMAT, Finite element, Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE)