فهرست مطالب

مهندسی مکانیک ایران - سال بیست و چهارم شماره 3 (پیاپی 68، پاییز 1401)

نشریه مهندسی مکانیک ایران
سال بیست و چهارم شماره 3 (پیاپی 68، پاییز 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/11/18
  • تعداد عناوین: 7
|
  • حسین بیشه، اکبر علی بیگلو* صفحات 6-27
    در این پژوهش، تحلیل رفتار خمشی ورق کامپوزیتی حلقوی/دایروی متخلل تقویت شده با گرافن با استفاده از تیوری سه بعدی الاستیسیته و همچنین روش مربعات تفاضلی مورد مطالعه قرار گرفته است. ورق متخلل براساس آرایش یکنواخت و غیر یکنواخت توزیع گرافن در ماتریس پلیمر که شامل تخلخل داخلی می باشد، ساخته شده است. مدل میکرومکانیک هالپین تسای، قانون اختلاط و خصوصیات مکانیکی فوم های سلول باز پلیمر برای تعیین مدول الاستیسیته و چگالی نانوکامپوزیت استفاده شده است. معادلات حاکم بر ورق دایروی/حلقوی با استفاده از تیوری سه بعدی الاستیسیته به دست آمده است. در این مقاله، تاثیر توزیع مختلف صفحات گرافنی، چگالی و اندازه حفره های داخلی، کسر وزنی گرافن و شرایط مرزی مختلف بر رفتار خمشی ورق دایروی/حلقوی متخلخل مورد مطالعه قرار گرفته است.
    کلیدواژگان: ورق دایروی، حلقوی، تخلخل، گرافن، تئوری سه بعدی الاستیسیته
  • علی حیدر فعله گری، سید جواد احمدی* صفحات 28-48

    در اغلب مسایل ربات های موازی کابلی افزونه نرم انرژی بردار ورودی کنترل بهینه سازی شده است لیکن با وجود جنبه های مثبت آن مانند همواری و مشتق پذیری، در مساله ربات کابلی افزونه حاضر که ساختار کابل فقط در محدوده مثبت، مفهوم فیزیکی دارد، استفاده از تابع هزینه خطی از جنبه مدلسازی ریاضیاتی کافی می باشد. با این جایگزینی، بدون ایجاد خدشه در برقراری تحدب، مساله بهینه سازی روی ربات مذکور با حد پایین کشش و حد بالای گسیختگی و قید مساوی نیروی کشش کابل ها و پلتفرم متحرک حل شده است. نتایج شبیه سازی بیانگر این است که درحالی که جایگزینی مذکور در تابع هزینه تاثیر محسوسی در زمان حل مساله بهینه سازی با روش های عددی ندارد، کاهش در میانگین زمان صرف شده جهت دستیابی به پاسخ بهینه، حدود 3 برابر نسبت به روش تحلیلی با تابع هزینه دو مجذوری و به میزان حداقل 80 برابر نسبت به روش های عددی حاصل می شود.

    کلیدواژگان: ربات موازی، ربات کابلی، ربات موازی افزونه، تحلیل افزونگی، حل تحلیلی
  • سپهر صنایع*، احمدرضا صرافی صفحات 49-74
    این مقاله به ارایه روش نوینی برای مدیریت انرژی می پردازد. روش ارایه شده برای سیستمی متشکل از صفحات خورشیدی، توربین بادی، موتور برق گازسوز و باتری به صورت یک مسیله یادگیری تقویتی تعریف گشت. با بکارگیری الگوریتم یادگیری کیو بهترین عملکرد مدیریتی برای تمام شرایط سیستم، مشخص گردید. از نتایج حاصل شده جهت مدیریت تامین برق چهار ساختمان مسکونی در جزیره نگین بوشهر استفاده شد. نتایج روش پیشنهادی با مدیریت انرژی از روش تعقیب بار مقایسه گشت که 2/4% کاهش هزینه بهره برداری سالانه و 3/7% کاهش تولید دی اکسید کربن را به همراه داشت. این روش در مقایسه با مدیریت انرژی بهینه با الگوریتم ژنتیک، حدود 2/5 برابر زمان محاسباتی کمتری صرف نمود.
    کلیدواژگان: مدیریت انرژی، یادگیری کیو، سیستم انرژی هیبریدی، توربین بادی، انرژی خورشیدی، موتور برق گازسوز
  • امیرحسین نگهی، سید امیرعباس علومی* صفحات 75-93

    در این مقاله هدف بدست آوردن منحنی های عملکرد پروانه با استفاده از نرم افزار تجاری انسیس فلوینت می باشد. میدان جریان سیال لزج، تراکم ناپذیر و دوفازی میباشد. منحنی های مشخصه عملکرد یک پروانه سری بی - وگنینگن برای مقادیر مختلف ضریب پیشروی (J) و برای عمق های مختلف  بررسی شده است. برای  مدل سازی جریان مغشوش و شبیه سازی حرکت سطح آزاد به ترتیب از مدل sstω k-  و روش حجم سیال استفاده شده است. برای اعتبارسنجی نتایج حل عددی با توجه به عدم دسترسی به نتایج تجربی پروانه در نزدیک سطح حل عددی در شرایط آب آزاد انجام شده و ضریب های عملکردی پروانه محاسبه شده اند. نتایج این تحقیق نشان می دهد که مدل سازی دایم به روش معادلات متوسط گیری شده رینولدز برای محاسبه ضرایب هیدرودینامیکی مناسب بوده و با هزینه محاسباتی کمتر و دقت مناسب نسبت به روش غیردایم نتایج را پیش بینی می کنند. از طرف دیگر در عمق ثابت با افزایش ضریب پیشروی میزان نیرو  و ضرایب تراست و گشتاور کاهشی بوده است.

    کلیدواژگان: بررسی عددی، پروانه، عملکرد پروانه، روش حجم سیال، دینامیک سیالات محاسباتی
  • حجت طائی*، سپیده آیتی، سید فضل الله موسوی صفحات 94-119

    هدف این مقاله، بررسی و ارایه کنترل PID مقاوم وضعیت یک ماهواره انعطاف پذیر با لحاظ کردن دینامیک عملگر تراستر است. ویژگی انعطاف پذیری در ماهواره، سبب تغییر در دینامیک کل ماهواره می شود. در طول مانور، گشتاور اغتشاشی تصادفی و عدم قطعیت ماتریس اینرسی بر ماهواره اعمال می شود. تراستر عملگر مورد استفاده برای انجام فرامین کنترلی است که از گسسته ساز PWPF بهینه شده توسط الگوریتم فرا ابتکاری ژنتیک بهره می برد. بهینه سازی تراستر و ضرایب کنترل PID مقاوم مقید از دیگر نوآوری های این مقاله است. با افزودن قیدهای سرعت زاویه ای و گشتاور کنترلی، کنترل مقاوم طراحی شده اولا عملکرد مطلوبی در اجرای فرمان دارد؛ و ثانیا در برابر عدم قطعیت های داخلی و خارجی مطرح شده، مقاوم است.

    کلیدواژگان: ماهواره انعطاف پذیر، کنترل PID مقاوم، عدم قطعیت، تراستر، الگوریتم ژنتیک
  • امیر غفاری، علی غفاری*، نیوشا پورجعفری صفحات 120-133
    سیگنال های ECG اطلاعات ارزشمند و مهمی از رفتار قلب را در اختیار پزشکان و  پژوهشگران قرار می دهند، اما نه تنها متخصصان قلب بلکه مهندسان نیز با الگوریتم های توسعه یافته خود قادر نیستند بدون اعمال پیش پردازش های مناسب به تمامی اطلاعات پنهان در ECG  ها دست پیدا کنند. سیگنال های 12 لیدی گرچه نمایانگر بزرگی رفتار الکتریکی قلب در یک چرخه قلبی هستند ولی اطلاعات واضحی از جهت سیگنال الکتریکی قلب در اختیار نمی گذارند. از طرف دیگر، وکتورکاردیوگرافی (VCG) اطلاعات مربوط به اندازه و جهت سیگنال الکتریکی قلب را در اختیار قرار می دهد اما زمان وقوع در این نوع نمایش آشکار نیست. در این مقاله روشی جدید بیان شده است که در آن، به دور از محاسباتی پیچیده، اندازه و جهت بردار الکتریکی قلب به صورت تابعی از زمان نمایش داده می شود. در این نوع نمایش سه بعدی جدید، برخلاف ECG،  منحنی سه بعدی نهایی، مستقل از نوع لیدهای قدامی است. بدین ترتیب از هر جفت لید قدامی دلخواهی منحنی یکسانی به دست می آید که اطلاعات مربوط به رفتار الکتریکی قلب را نشان می دهد. برخی از کاربردهای نمایش سه بعدی ارایه شده با به کارگیری اطلاعات ECG بیماران در پایگاه داده فیزیونت در این مقاله آورده شده است. بر این باوریم که اگر این روش مورد استفاده متخصصان قلب و محققان در این زمینه قرار گیرد، به آن ها کمک می کند تا اعمال قلب و ناهنجاری های احتمالی را واضح تر و بسیار سریع تر تشخیص دهند.
    کلیدواژگان: الکتروکاردیوگرام سه بعدی، الکتروکاردیوگرام، وکتورکاردیوگرام، مدلسازی وکتورکاردیوگرام، یادگیری ماشین
  • پیام قهرمانی، میثم تکلوزاده* صفحات 134-159
    استفاده از مواد با ضریب پواسون منفی (مواد پادکشسان) در صنعت به سرعت در حال رشد است. اگر چه این نوع مواد در طبیعت یافت می شوند، اما برای کاربردهای صنعتی لازم است که طراحی و ساخته شوند. ریزساختار مواد پادکشسان، تاثیر زیادی بر ضریب پواسون آن ها دارد. تحقیق حاضر سعی دارد تا با استفاده از روش بهینه یابی توپولوژی اجزای متحرک شکل پذیر، طرحی را برای ریز ساختار این مواد پیشنهاد دهد. در این روش، توپولوژی سازه با استفاده از موقعیت و شکل اجزا تعریف می شود. پارامترهای تعریف کننده ی مکان و شکل این اجزا، متغیرهای طراحی در مساله ی بهینه یابی می باشند. تعداد نسبتا کم متغیرهای طراحی و تعریف مرزهای سازه به صورت تابعی صریح، از مزیت های روش اجزا متحرک شکل پذیر می باشند. با توجه به ماهیت تکرار شونده و تناوبی ریز ساختار این مواد، طرح بهینه ی یک سلول در چارچوب مسیله ی بهینه یابی مکانیزم های سازگار تعریف شد. برای حل مسیله ی بهینه یابی، از روش بهینه یابی مرتبه یک مجانب های متحرک استفاده شد. گام اصلی در این دسته روش ها به دست آوردن گرادیان تابع هدف و قیود نسبت به متغیر های طراحی است. در این تحقیق، برای محاسبه ی گرادیان تابع هدف، از ایده ی متفاوت مشتق توپولوژیک استفاده شده است. کارآیی روش پیشنهادی در طرح نهایی به دست آمده نشان داده شده است.
    کلیدواژگان: بهینه یابی توپولوژی، اجزای متحرک شکل پذیر، مواد پادکشسان، مشتق توپولوژیک، مکانیزم سازگار
|
  • Hossein Bisheh, Akbar Alibeigloo * Pages 6-27
    Due to important role of composite materials in broad spectrum of applications, this paper focused on bending of a functionally graded graphene platelet reinforced composite porous circular/annular plates with various boundary conditions by employing state-space differential quadrature method (DQM). Equations of motion are established within the framework of theory of elasticity and are formulated along the thickness direction in the form of state-space. Applying DQM along the radial direction provides a semi-analytical solution to bending of the plate. The results of applying present approach are validated by comparing them with those reported in the literature. A thorough parametric investigation is conducted on the effects of different GPLs distributions integrated with various distribution patterns of internal porosity, thickness to radius ratio, graphene platelets (GPLs) weight fraction, porosity coefficient and edge boundary conditions on the bending behavior of FG-GPLRC circular/annular plates. The results reveal a very useful practical designing hint that locating more GPLs in the vicinity of the upper and bottom surfaces of the circular/annular plates with lower outer radius to thickness.
    Keywords: Circular, annular plate, Porous, Graphene, three dimensional elasticity
  • Ali Haydar Felegari, Javad Ahmadi * Pages 28-48

    In most research on parallel cable robots, control input energy norm (with two-squared cost function), also known as the least-squares method is widely used, but in addition to the advantages of this method, such as smoothness and differentiable, in the case of the current cable robot, where the cable structure has a physical meaning only in the positive range, using the linear cost function is sufficient in terms of mathematical modeling. With this replacement, without compromising the convexity, the optimization problem on the robot is solved with the low tensile limit and the high rupture limit, and the equal constraint tensile strength of the cables and the moving platform. The simulation results show that while the mentioned the alternative in the cost function does not have a significant effect on solving the optimization problem with numerical methods, the reduction in the average elapsed time to achieve the optimal solution is about 3 times, compared to the analytical method with the two-squared cost function, and is obtained at least 80 times that of numerical methods.

    Keywords: Parallel robot, Cable Robot, Redundant Parallel Robot, Redundancy Resolution, Analytical Solving
  • Sepehr Sanaye *, Ahmadreza Sarrafi Pages 49-74
    This paper presents a new method of energy management (EM). The proposed method was defined as a reinforcement learning problem for a system consisting of solar panels, wind turbines, gas engines and batteries. The best corresponding energy managements for all the possible system states were found by employing the Q-learning algorithm to solve the EM problem. These results were then used for managing the power supply of four residential buildings in Negin Island Bushehr located in the southwest of Iran. The simulation was performed for 8760 hours of a year. The proposed energy management method was compared with the load following energy management, which resulted in a 2.4% reduction in annual operational costs and a 3.7% reduction in CO2 emissions. With the same quality of the results, the new EM method took about 2.5 times less computational time compared to the optimum energy management performed by genetic algorithm. The effect of iteration number on the convergence of algorithm was also investigated.
    Keywords: Energy Management, Reinforcement Learning, Hybrid Energy System, Renewable Energy, Gas engine
  • AmirHossein Negahi, Seid AmirAbbas Oloomi * Pages 75-93

    In this study, the effect of different depths on the performance and efficiency of a B-Wageningen series close to surface of water have been numerically investigated. For this purpose, the ANSYS-FLUENT commercial software has been used to solve the viscous, incompressible and two phase flow field. The rotation of the propeller has been implemented using the rotating reference frame model for steady flow and the sliding mesh for unsteady flow. For turbulent flow modeling and free surface simulation, the k-ω SST model and the volume of fluid method have been used, respectively. For validation of numerical results due to lack of access to experimental results of propeller close to surface, numerical solution in open water condition has been performed and performance coefficients have been calculated. Comparing the numerical results with the experiment ones shows good agreement. The results of the numerical solution show.

    Keywords: Numerical investigation, Propeller, Propeller Performance Volume of Fluid Method, CFD
  • Hojat Taei *, Sepideh Ayati, Seyed Fazlollah Mousavi Pages 94-119

    The purpose of this paper, is to investigate and provide robust PID control for flexible satellite considering thruster actuator dynamics. The flexibility of the satellite causes a change in the dynamics of the entire satellite. During the maneuver, stochastic disturbance torque and system inertia uncertainty are applied to the satellite. The thruster is an actuator used to execute control commands using a PWPF modulator optimized by a genetic metaheuristic algorithm Optimization of thruster and robust PID controller coefficients are other innovations of this paper. By adding angular velocity and control torque constraints, the designed robust control first performs well; And secondly, it is robust to internal and external uncertainties.

    Keywords: Flexible Satellite, Robust PID Control, Uncertainty, thruster, genetic algorithm
  • Amir Ghafari, Ali Ghaffari *, Niusha Pourjafari Pages 120-133
    Although ECG signals contain rich enough information about the heart function, neither the clinical cardiologists nor researchers and engineers with their developed algorithms can illustrate all of this hidden information without some ECG pre-processing attempts. The standard 12- lead ECG signals represent the magnitudes of the heart's electrical activity at any instant in a cardiac cycle. Still, the direction of these signals is not clearly shown in ECG leads. On the other hand, in VCG, we have both the magnitude and direction of the heart's electrical signal, but the time is hidden. In this paper, a new approach has been proposed that, without requiring complicated calculations, represents and visualizes the magnitude and direction of the heart's electrical activity as a function of time. Unlike the normal 2-dimensional ECG for several leads, in this new 3-dimensional proposed ECG(Time Vector Electrocardiogram), any two arbitrary frontal leads are shown versus time. The resulting curve is independent of the selected leads; thus, only a single 3-dimensional curve is obtained, which contains and illustrates more information about the heart function. Some applications of the proposed method are presented in this paper by using the ECG data for patients from the G12EC database. If this new approach is welcomed by cardiologists and field experts, we believe that it would greatly assist them in diagnosing heart behavior and its possible abnormalities more clearly and much faster.
    Keywords: 3D-ECG, Electrocardiogram, Vectorcardiogram, Vectorcardiogram Modeling, Machine Learning
  • Payam Ghahremani, Meisam Takalloozadeh * Pages 134-159
    The application of the negative Poisson’s ratio materials (auxetic materials) is growing rapidly. Although these types of materials were found in nature, these materials are designed and made for industrial applications. The layout of the microstructure of auxetic has a big effect on their Poisson’s ratio. The present study aims to design the microstructure of auxetic materials by utilizing shape optimization of some moving components and by finding their position to minimize Poisson’s ratio. The shape of components is defined by a few variables explicitly which is a great advantage in the manufacturing of the final design. Due to the periodic structure of auxetic materials, the design problem is defined as the compliant mechanism topology optimization of one cell. A first-order method called the method of moving asymptotes (MMA) is utilized to solve the optimization problem. The core of the first-order methods is to find the gradient of the objective function and constraints with respect to design variables. The topological derivative for the compliant mechanism is utilized for this purpose. The obtained microstructure shows the efficiency of the proposed approach. Moreover, a sample of the designed structure is made using an additive manufacturing technique.
    Keywords: topology optimization, Moving morphable component, Auxetic materials, Topological derivative, Compliant mechanism