فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک مدرس
سال بیست و سوم شماره 1 (دی 1401)

  • تاریخ انتشار: 1402/01/14
  • تعداد عناوین: 6
|
  • عاطف نجفی، عباس ذوالفقاری* صفحات 1-9

    بهره گیری از تکنیک های ساخت افزایشی در علم پزشکی موجب تحولی عظیم در این زمینه و به خصوص در حیطه مهندسی بافت استخوان شده است. یکی از این تکنیک ها، فرآیند ساخت افزایشی ریزش مذاب می باشد که برای ساخت داربست های استخوانی استفاده می گردد. از دیدگاه مهندسی بافت استخوان، داربست های استخوانی باید علاوه بر ویژگی های مورد نیاز بیولوژیکی، دارای خواص مکانیکی قابل قبولی نیز باشند. در این پژوهش ابتدا پارامترهای چاپ شامل ارتفاع لایه، سرعت چاپ و تعداد فیلامنت در هر ردیف تعیین شد. داربست های استخوانی با 2 ماده مختلف پلی لاکتیک اسید (PLA) و پلی کاپرولاکتون (PCL) ساخته شد و تحت آزمونهای فشاری قرار گرفتند. نتایج تحلیل شده شامل مدول الاستیک و تنش تسلیم با نرم افزار Design Expert نشان دهنده ی آن بود که افزایش ارتفاع لایه موجب کاهش خواص مکانیکی و افزایش تعداد فیلامنت در هر ردیف باعث افزایش خواص مکانیکی داربست ساخته شده می گردد. به عنوان مثال برای داربست های ساخته شده از جنس PLA، حداکثر مدول الاستیک متعلق به داربست 12 فیلامنتی با ارتفاع لایه 1/0 می باشد که مقدار آن برابر با 319 مگاپاسکال بوده و حداقل مدول الاستیک متعلق به داربست 8 فیلامنتی با ارتفاع لایه 3/0 می باشد که مقدار آن برابر با 143 مگاپاسکال است. سرعت چاپ برای داربست های ساخته شده از جنس PLA، تاثیرقابل توجهی بر مدول الاستیک و تنش تسلیم نداشته ولی برای داربست های ساخته شده از جنس PCL، افزایش سرعت چاپ موجب کاهش مدول الاستیک می شود ولی اثر قابل توجهی بر تنش تسلیم ندارد.

    کلیدواژگان: ساخت افزایشی، داربست استخوانی، پارامترهای چاپ، تست فشار، خواص مکانیکی
  • علی ابراهیمی، روزبه شفقت*، مهدی یوسفی فرد، علی حاجی آبادی صفحات 11-24

    در پژوهش حاضر تاثیر مکان پله های عرضی بر مولفه های هیدرودینامیکی و پایداری طولی شناور بررسی شده است. شناور مورد بررسی در این تحقیق یک شناور دو بدنه پروازی است که هر نیم بدنه آن دارای دو پله ی عرضی می باشد. در ابتدا با استفاده از روش آزمایشگاهی مقاومت شناور با وزن 3/5 کیلوگرم در محدود ه ی عدد فرود طولی 49/0 تا 9/2 در آب آرام محاسبه شده است. سپس با استفاده از روش عددی رفتار شناور در وزن های 3/5، 6/4 و 4 کیلوگرم ارزیابی گردیده است. نتایج شبیه سازی عددی با نتایج مشابه آزمایشگاهی اعتبار سنجی شده است. شناور در وزن های 4 و 3/5 کیلوگرم به ترتیب در اعداد فرود بزرگتر از 43/2 و 9/2 دچار ناپایداری پورپویزینگ گردیده است. به منظور بهبود پایداری طولی شناور از طرح آزمایش تاگوچی برای تعیین مکان بهینه ی پله های عرضی استفاده شده است. نتایج نشان داد که با قرار گیری پله های عرضی در مکان بهینه، ناپایداری پورپویزینگ در شناور رفع شده است. در حالت پروازی مقاومت شناور در حالت بهینه ی پله های عرضی نسبت به حالت اولیه برای وزن های ذکر شده به ترتیب 12، 5/9 و 6/6 درصد کاهش یافته است. در شرایط مشابه نیروی برا وارد بر شناور نیز برای وزن های مذکور به ترتیب 15، 10 و 7 درصد افزایش یافته است.

    کلیدواژگان: شناور دو بدنه پروازی، روش عددی، ناپایداری پورپویزینگ، آزمایش تاگوچی، پله ی عرضی
  • حامد کاوند، جواد کوهسرخی*، رضا عسکری مقدم صفحات 25-31

    خواص الکتریکی مواد پیزوالکتریک نانوساختاری توجه بسیاری از محققین را در دهه گذشته به خود جلب کرده است. این ویژگی ها در میکرو حسگرهای پیزو الکتریک استفاده می شود. نیروی محرکه مکانیکی معمولا نتیجه تماس بین سطح پیزوالکتریک و یک جسم خارجی است. در این مقاله، تاثیر نیروی محرکه مکانیکی با استفاده از یک موج هوایی (آکوستیک) و یا خلاء بر روی دیافراگم سیلیکانی، مورد بررسی قرار گرفته شده است. تنش های موضعی ایجاد شده روی دیافراگم در اثر برخورد یک موج هوایی، تاثیر قابل توجهی روی ولتاژ پیک تا پیک حسگر پیزوالکتریک دارد که با اندازه گیری تغییرات این پارامتر می توان شدت موج هوایی را بدست آورد. برای بررسی این موضوع، دیافراگم بدون طرح و طرحدار که شامل میکروساختارهای سیلیکانی است مورد بررسی قرار گرفته شد و مشخص شد که ساخت یک حسگر پیزوالکتریک روی یک دیافراگم نازک و طرح دار می تواند باعث افزایش ولتاژ پیک تا پیک تا حدود 3/1 برابر گردد. آشکارسازی این تنش ها با استفاده از ماده پیزوالکتریک لایه نشانی شده روی دیافراگم نازک و منعطف، می تواند به عنوان یک میکروفن پیزوالکتریک و یا یک فشار سنج عمل کند که وجود میکروساختارها روی دیافراگم باعث افزایش حساسیت آنها خواهد شد.

    کلیدواژگان: تنش مکانیکی، دیافراگم سیلیکانی، میکرو ساختارها، نانوساختارهای پیزوالکتریک، نانوسیم های اکسید روی، ادوات میکرو الکترومکانیکی
  • محمد تاوید، سید حجت هاشمی* صفحات 33-44

    شکست خستگی رایج ترین نوع شکست در سازه های تحت بارگذاری نوسانی است. آسیب خستگی در لوله های فولادی انتقال گاز به دلیل نوسانی بودن فشار داخلی آن از اهمیت بالایی برخوردار است. بخش وسیعی از خط لوله های به کار رفته در صنعت نفت و گاز ایران از جنس فولاد ترمومکانیکال با گرید API X65 بوده و اتصال لبه های آن به وسیله جوشکاری زیر پودری انجام می شود. در این تحقیق منحنی تنش- عمر و حد دوام درز جوش مارپیچ این فولاد با انجام آزمایش اندازه گیری شده است. به این منظور، تعداد 20 نمونه آزمایشگاهی (12 نمونه جهت به دست آوردن منحنی در ناحیه عمر خستگی محدود و 8 نمونه جهت برآورد استحکام خستگی) طبق استاندارد ISO 1143 از درز جوش مارپیچ لوله در مقیاس صنعتی با قطر خارجی 1219 میلی متر و ضخامت 3/14 میلی متر تهیه شد و تحت آزمایش خستگی خمشی- چرخشی کاملا معکوس شونده قرار گرفت. تحلیل آماری نتایج با در نظر گرفتن توزیع نرمال لگاریتمی، انجام شد. منحنی میانگین، بازه اطمینان و منحنی مشخصه نتایج آزمایشگاهی در ناحیه های عمر خستگی محدود با استفاده از مدل خستگی باسکویین و براساس استانداردهای ISO 12107 و ASTM E-739 و در ناحیه استحکام خستگی براساس استاندارد ISO 12107 به دست آمد. مقدار حد دوام میانگین درز جوش فولاد آزمایش شده برابر 5/258 مگاپاسکال به دست آمد که در محدوده مرسوم 4/0 تا 6/0 استحکام نهایی این فولاد قرار دارد.

    کلیدواژگان: منحنی تنش- عمر، حد دوام، درز جوش مارپیچ، فولاد API X65، لوله فولادی انتقال گاز
  • ابوالحسن بهروان، سید محمدحسین سیدکاشی، مجتبی شیخی ازغندی* صفحات 45-55

    جاذب های انرژی، برای جذب انرژی جنبشی اجسام و تبدیل آن به صورتی دیگر به کار می روند که از مهم ترین آنها لوله های جدار نازک دایره ای هستند. در جاذب استوانه ای جدار نازک سه پارامتر قطر، ضخامت و طول بر میزان جذب انرژی تاثیرگذارند. در این پژوهش به منظور دست یابی به اطلاعات لازم برای طراحی یک جاذب انرژی ارزان قیمت با قابلیت جذب بالا، استوانه های جدار نازک دارای فشار هوا در داخل که هوای داخل آن هنگام فروریزش متراکم می شود، مورد بررسی قرار گرفته است. در تحقیق حاضر بارگذاری ها دینامیکی و محوری انتخاب شده تا تطابق بالاتری با واقعیت داشته باشند. شبیه سازی و تحلیل مسیله توسط نرم افزار اجزای محدود آباکوس و با اعمال ضرایب جانسون-کوک برای مدل کردن رفتار ماده صورت پذیرفته است. در ادامه، نمودار کل کار انجام شده نسبت به زمان به عنوان خروجی مسیله استخراج گردیده و صحت آن با آزمون های تجربی اثبات شده است. سپس نمونه های مختلف مدل سازی شده و بر اساس آنها طراحی آزمایش انجام شده است. با استفاده از نتایج به دست آمده از تحلیل واریانس، بهینه سازی پارامترهای ضربه گیر با استفاده از الگوریتم تکامل زمانی انجام شده است. نتایج این تحقیق نشان دهنده آن است که می توان با ایجاد تراکم داخلی بدون کم شدن قابلیت جذب از وزن جاذب کم کرد. عملکرد طرح بهینه ی به دست آمده با استفاده از الگوریتم بهینه سازی تکامل زمانی، بیش از 33% نسبت به نمونه ی بدون تراکم بهبود پیدا کرد.

    کلیدواژگان: جاذب انرژی، بهینه سازی، پوسته های استوانه ای، رفتار فروریزشی، الگوریتم تکامل زمانی
  • ناصر ملبوبی، محمدرضا رازفر، رسول فشارکی فرد* صفحات 57-66

    در این مقاله به جبران خطای ناشی از خیز ابزار در جهت عمود بر پیشروی حین براده برداری در فرزکاری پرداخته شده است. هنگام فرزکاری، بدلیل وجود نیروی مزاحم عمود بر پیشروی در ابزار، انحرافی رخ می دهد که دقت ماشینکاری را کاهش می دهد. با نیروی جبران کننده در میانه ابزار این خیز کاهش می یابد و برای ایجاد این نیرو می توان عملگر هیدرولیکی تعبیه کرد. بنابراین همزمان با ماشینکاری، نیرویی متناسب اما بر خلاف نیروی مزاحم اعمال خواهد شد تا این خطا کاهش یابد. بدین منظور نیروهای مزاحم در طول ماشینکاری و خیز ناشی از آن باید بدست آید و سپس نیروی متناسب به ابزار اعمال شود. قدم اول در سالیدورک فرز انگشتی مدلسازی و بعد به روش عددی، عملیات ماشینکاری برای محاسبه نیروی ایجاد کننده خطا (پارامتر خروجی) شبیه سازی می شود که در آن تیغه فرز و قطعه کار هر دو بصورت انعطاف پذیر سه بعدی می باشد. با یافتن نتایج نیرویی ابزار تحت حالات مختلف ماشینکاری (با سرعت پیشروی، دور و عمق و تعداد لبه متفاوت بعنوان پارامتر های کنترلی) از آباکوس، مدل نیمه تحلیلی ماشینکاری در ماژول  Simscape Multibodyمتلب، ایجاد می شود. با مقایسه نتایج با آباکوس پارامتر های مدل توده ای متلب تنظیم می گردد. با استخراج نیرو بصورت جدولی از آباکوس و اعمال آن در متلب خیز سریع تر از مدل عددی بدست می آید. جهت یافتن نیروی جبران کننده(پارامتر خروجی)، از تیوری تیرها ضریب 3.2 برابر نیروی ماشینکاری برای اعمال به وسط ابزار حاصل می شود. این نیرو بصورت حلقه باز در مدل متلب وارد و نتیجه آن کاهش خطا درحدود 70 درصد در میزان خیز جانبی نوک ابزار می شود.

    کلیدواژگان: جبران خطا، فرزکاری، خیز جانبی ابزار، شبیه سازی المان محدود، مدل نیمه تحلیلی
|
  • Atef Najafi, Abbas Zolfaghari* Pages 1-9

    The use of Additive Manufacturing (AM) techniques in medical science has resulted in a great change in this field, especially in bone tissue engineering. One of these techniques is the Fused Deposition Modeling (FDM) which is used to make bone scaffolds. From view point of bone tissue engineering, bone scaffolds must have acceptable mechanical properties in addition to the required biological properties. In this study, at first the printing parameters including layer height, printing speed and number of filaments in each row were determined and bone scaffolds were made with two different materials polylactic acid (PLA) and polycaprolactone (PCL) and were subjected to the compression tests. The results of Young’s modulus and yield stress analyzed in Design Expert software showed that increasing the layer height reduces the mechanical properties. Also, increasing the number of filaments in each row increases the elastic modulus of the scaffold. For example, for scaffolds made of PLA, the maximum modulus of elasticity belongs to 12 filament scaffolds with a layer height of 0.1, which is equal to 319 MPa, and the minimum elastic modulus belongs to 8 filament scaffolds with a layer height of 0.3, which is equal to 143 MPa. Printing speed for scaffolds made of PLA does not have a significant effect on the Young’s modulus and yield stress. But for scaffolds made of PCL, increasing the printing speed reduces the modulus of elasticity but it doesn’t have a significant effect on yield stress.

    Keywords: Additive Manufacturing, Bone Scaffold, Printing Parameters, Compression Test, Mechanical Properties
  • Ali Ebrahimi, Rouzbeh Shafaghat*, Mahdi Yousefifard, Ali Haji Abadi Pages 11-24

    In this study, the effect of transverse steps location on hydrodynamic components and the longitudinal stability of the vessel has been investigated. The vessel studied in this research is a planning catamaran, each demi-hull with two transverse steps. At first, vessel resistance with a weight of 5.3 kg within a range of length Froude number of 0.49 to 2.9 in calm water has been calculated. Then, craft behavior was evaluated at displacements of 5.3, 4.6, and 4 Kg using the numerical method. The numerical simulation results have been validated with similar experimental results. The craft in 4 and 5.3 kg weights, in Froude numbers greater than 2.43 and 2.9, respectively, has a Porpoising instability. In order to improve the longitudinal stability of the vessel, the Taguchi test design has been used to determine the optimal location of the transverse steps. The results showed that by placing the transverse steps in the optimum location, the Porpoising instability in the vessel has been resolved. In planing mode, vessel resistance decreased by 12%, 9.5%, and 6.6% in the optimum state of transverse steps compared to the base state for the mentioned weights. In similar conditions, the lift force on the vessel increased by 15, 10, and 7 percent for the mentioned weights, respectively.

    Keywords: Planning catamaran, Numerical method, Taguchi test, Porpoising instability, Transverse steps
  • Hamed Kavand, Javad Koohsorkhi*, Reza Askari Moghaddam Pages 25-31

    The electrical properties of nanostructured piezoelectric materials have attracted the attention of many researchers in the last decade. These features are used in piezoelectric micro-sensors. Mechanical propulsion is usually the result of contact between a piezoelectric surface and a foreign object. In this paper, the effect of mechanical propulsion using an air wave (sound) or vacuum on a silicon diaphragm is investigated. The local stresses created on the diaphragm due to the impact of an air wave have a significant effect on the peak-to-peak voltage of the piezoelectric sensor, which can be measured by measuring changes in this parameter. To investigate this, a micromachined diaphragm of silicon was examined and it was found that fabricating a piezoelectric sensor on a thin and patterned diaphragm could increase the peak-to-peak voltage by about 1.3 times. Detection of these stresses using piezoelectric material layered on the thin and formable diaphragm can act as a piezoelectric microphone or a barometer that the presence of microstructures on the diaphragm will increase their sensitivity.

    Keywords: Mechanical stress, Silicon diaphragm, Microstructures, Piezoelectric nanostructures, Zinc oxide nanowires, MEMS
  • Mohammad Tavid, Sayyed Hashemi* Pages 33-44

    Fatigue failure is the most common type of failure in structures under oscillatory loading. Fatigue damage in steel gas pipelines is very important due to internal pressure fluctuation. A large part of pipelines in oil and gas industry of Iran are made of thermomechanical steel of grade API X65, made by spiral submerged arc welding. In this study, the stress-life curve and fatigue limit of the spiral weld seam of this steel are determined by fatigue tests. For this purpose, 20 test specimens (12 specimens used in the limited fatigue life zone and 8 specimens used to estimate fatigue strength) according to ISO 1143 standard. All test samples were cut from an actual spirally welded pipe with 1219mm outside diameter and 14.3 mm wall thickness and were tested on a completely reverse rotating-bending fatigue machine. Statistical analysis of the results was performed by considering the normal logarithmic distribution. Mean curve, confidence interval, and characteristic curve of the results were obtained in the finite fatigue life range using Basquin fatigue model according to ISO 12107 and ASTM E-739 standards. In the fatigue resistance range ISO 12107 standard was used. The mean endurance limit of the seam weld of the tested steel was 258.5 MPa which is located in the conventional range of 0.4 to 0.6 of the ultimate tensile strength of this steel.

    Keywords: S-N curve, endurance limit, spiral seam weld, API X65 steel, gas transportation pipeline
  • Abolhassan Behravan, S.M.H. Seyedkashi, Mojtaba Sheikhi Azqandi* Pages 45-55

    Energy absorbers are used to absorb the kinetic energy of objects and convert it into another form, the most important of which are cylinder thin-walled tubes. In a thin-walled cylindrical absorber, the three parameters of diameter, thickness, and length affect the amount of energy absorption. In this research, to obtain the necessary information for designing an inexpensive energy absorber with high absorption capability, thin-walled cylinders with air pressure inside which the air inside condenses when collapsing have been investigated. In the current study, dynamic and axial loadings were chosen to have a higher match with reality. The simulation and analysis of the problem have been done by the finite element method and by applying Johnson-Cook coefficients to model the material's behavior. In the following, the graph of the total work done with time is extracted as the output of the problem, and its correctness has been proved by experimental tests. Then, different samples were modeled and based on them, the method of design of the experiment was applied. Using the results of the variance analysis, the absorber's optimal parameters have been designed by using the time evolutionary optimization algorithm. The results show that it is possible to reduce the weight of the absorber by creating internal density without lowering the absorbency.

    Keywords: Energy Absorber, Optimization, Cylindrical Shells, Collapsing Behavior, Time Evolutionary Algorithm
  • Nasser Malboubi, MohammadReza Razfar, Rasul Fesharakifard* Pages 57-66

    In this paper, the error of tool deflection in perpendicular to a milling process feed direction is investigated and novel compensation method to this error is proposed. While the end mill tool is machining, due to the existence of perpendicular disturbing force on the feed path while the endmill tool is machining, a deflection which reduces machining accuracy. If a compensation force is exerted to the middle of tool, the deflection can be reduced. By using a hydraulic actuator, the compensation force would be proportional to the disturbing machining force, in the opposite direction so that this error can be reduced. It is necessary to estimate disturbing forces and tool deflection magnitude in lateral side of machining precisely before applying the proportional force to the endmill. The first step endmill is modeled on SolidWorks and in the next step The machining operation is simulated to calculate the error causing force in which both the milling tool and the workpiece are 3D flexible. By obtaining the force results of the tool under different machining modes from Abaqus, a semi -analytical model is established on Simscape Multibody module of matlab software. By comparing Abaqus results the parameters of the lumped model are adjusted. The output force is extracted from Abaqus and put in tabular form the tool deflection is extracted from MATLAB SimScape which calculation speed is faster than the numerical model in this method. To find the compensating force, the beam theory obtains a factor of 3.2 times the machining force applied to the middle of the tool. This force is applied in open loop to the MATLAB model and the result indicates almost 70 percent reduction in the tool tip lateral deflection.

    Keywords: Compensation error, Milling, Tool lateral deflection, Finite element simulation, semi-analytical model