فهرست مطالب

مهندسی مکانیک ایران - سال بیست و پنجم شماره 1 (پیاپی 70، بهار 1402)

نشریه مهندسی مکانیک ایران
سال بیست و پنجم شماره 1 (پیاپی 70، بهار 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/04/28
  • تعداد عناوین: 6
|
  • محسن بهرامی، فتح الله امی صفحات 6-30

    در این مقاله، مشخصات شروع و پایای نوسانی یک سرماساز چند طبقه گرما صوتی حلقه-شاخه و عدم قطعیت عملکرد آن نسبت به پارامترهای موثر، محاسبه و بحث می شود. در این راستا، عملکرد شروع و نامی سامانه با استفاده از حل عددی معادلات یک-بعدی رات، شبیه سازی می شود. نتایج عددی و تجربی یک سامانه مشابه، اعتبار نتایج مقاله حاضر را تایید می کند. ارزیابی پارامترهای عملکردی نشان می دهد که برخلاف یافته های پیشین، افزایش تعداد طبقات یا افزایش کمینه فشار شارژ سامانه، لزوما باعث بهبود عملکرد ترمودینامیکی نمی شود. همچنین با افزودن هسته ترمودینامیکی اضافه در هر طبقه، مقدار کار آکوستیکی و آنتالپی کل و عدم قطعیت آن افزایش و اثر ضریب رسانش حرارتی جامد کاهش می یابد.

    کلیدواژگان: سرماساز لوله ضربانی، سامانه چند طبقه حلقه-شاخه، مشخصات پایای نوسانی، مشخصات شروع، کمی سازی عدم قطعیت
  • علیرضا شامخی، مسعود آریانپور* صفحات 31-59
    در این مقاله، چیدمان سلول ها در یک مجموعه باتری لیتیومی با مشخصات صنعتی جهت مدیریت بهینه حرارتی آن توسط یک سامانه هواخنک مورد مطالعه قرار می گیرد. تاثیر فاصله بین سلول ها بر حداکثر و یکنواختی توزیع دما، و کاهش توان مصرفی خنک کاری به عنوان اهداف بهینه سازی به طور مفصل مطالعه می گردد. با کاهش فاصله بین باتری ها، دمای سلول ها از یک طرف، و یکنواختی دما و بازده خنک کاری مجموعه از طرف دیگر کاهش می یابد. همچنین افزایش تعداد سلول ها در ابتدا باعث افزایش راندمان خنک کاری می گردد اما بعد از یک حد معین، منجر به کاهش این راندمان می شود.
    کلیدواژگان: باتری لیتیوم-یون، مدیریت حرارتی مجموعه باتری، سامانه خنک کاری هواخنک، خنک کاری فعال، بهینه سازی باتری ها در حمل و نقل
  • مازیار جانقربان* صفحات 60-79
    از ورق های ذوزنقه ای شکل به عنوان مدل ساده ای برای بال هواپیما یاد می شود. از جنس های متفاوتی می توان این بال ها را تولید کرد که هر کدام مزایای خاص خودش را دارا است. یکی از موادی که در سال های اخیر نظر محققین را به خودش جلب کرده است نانوکامپوزیت ها می باشد که با استحکام بالا و وزن کمی که دارند می توانند گزینه مطلوبی برای ساخت بال هواپیماها باشند. در واقعیت زمانی که نانوکامپوزیت ها تولید می شوند بدون نقص نیستند و عیوبی با خود دارند که سبب کاهش خصوصیات مکانیکی آنها می شود. از جمله این عیب ها می توان به بحث انباشتگی نانولوله ها اشاره کرد. در مقاله حاضر، یک ورق نانوکامپوزیت ذوزنقه ای شکل مدل سازی خواهد شد و رفتار آن در حالت وجود یا عدم وجود انباشتگی نانولوله ها مورد مقایسه قرار خواهد گرفت. داده های استخراج شده از روابط برای خمش ورق های ذوزنقه ای شکل می باشد. برای این منظور از تیوری سه بعدی الاستیسیته به عنوان دقیق ترین تیوری برای مدل سازی ورق های نازک و ضخیم استفاده خواهد شد. با مرور تحقیق های انجام شده تا کنون، این نتیجه حاصل می شود که این نخستین بار است که اثر تجمع نانولوله ها بر روی رفتار خمشی ورق های ذوزنقه ای شکل مطالعه می شود. شایان ذکر است که در حالت های مورد مطالعه، مشاهده شد که تجمع نانولوله ها اثر چشم گیری بر نتایج نهایی ندارد و با تقریب مهندسی قابل صرف نظر کردن می باشد.
    کلیدواژگان: ورق ذوزنقه ای شکل، نانوکامپوزیت، انباشتگی نانولوله ها، خمش، تئوری سه بعدی الاستیسیته
  • میرابوالفضل مختاری*، محسن رستمی صفحات 80-96
    در این مقاله یک کنترل کننده داده محور تطبیقی آزاد از مدل برای کنترل زوایای افقی و عمودی محور یک سیستم غیرخطی به نام شبیه ساز کنترلی با پیکربندی متداول تک ملخ اصلی-تک ملخ دمی (TRMS) در حضور پدیده اشباع ورودی ارایه می گردد. با پیشرفت تکنولوژی، سیستم های صنعتی بسیار پیچیده و بهم پیوسته شده اند. در نتیجه ی این پیچیدگی ها، مدل کردن این سیستم ها با مدل های خطی بسیار سخت و غیر ممکن شده است. بر خلاف مقالات گذشته، در این مقاله تنها با استفاده از داده های ورودی و خروجی که از یک مدل موجود بدست می آید، با روش کنترلی داده محور تطبیقی آزاد از مدل، به طراحی الگوریتم کنترلی پرداخته می شود. ردیابی سیگنال های مرجع پله ای متغیر و سینوسی به خوبی و با دقت بالایی صورت می پذیرد و مقدار خطا در این روش با روش های موجود برای این سیستم گزارش داده می شود.
    کلیدواژگان: کنترل تطبیقی، کنترل داده محور، TRMS، سیستم غیر خطی، اشباع
  • رحمت عابدزاده معافی، شهرام اعتمادی حقیقی*، محمدجواد محمودآبادی صفحات 97-127

    هدف این پژوهش، ارایه مدل های تحلیلی کارآمد برای محاسبه نیروهای آیرودینامیکی وارد بر بال ها و دم یک ربات پرنده بال زن می باشد. برای دستیابی به این هدف، ابتدا مدل آیرودینامیکی بال ها برپایه تیوری نوارهای موازی و در نظر گرفتن اثرات انعطاف پذیری بال ها ارایه می شود. سپس، مدل آیرودینامیکی دم با در نظر گرفتن اثرات اختلاف فشار روی سطوح دم، گردابه های لبه ای و اصطکاک هوا معرفی می شود. سپس، پارامتر بهینه انعطاف پذیری بال ها با استفاده از الگوریتم ژنتیک تعیین می گردد. سرانجام، به منظور صحت سنجی، نتایج حاصل از مدل های پیشنهادی با مدل های ارایه شده در مطالعات گذشته و داده های آزمایشگاهی مقایسه می گردد. نتایج شبیه سازی نشان می دهد نیروهای آیرودینامیکی محاسبه شده توسط راهکارهای پیشنهادی در قیاس با مدل های قبلی به داده های آزمایشگاهی نزدیک تر است.

    کلیدواژگان: ربات پرنده بال زن، بال های انعطاف پذیر، نیروی برآ، نیروی رانش، بهینه سازی، الگوریتم ژنتیک
  • سحر گودرزی هفشجانی، یاسر کیانی* صفحات 128-167
    در این مقاله، به بررسی ارتعاشات آزاد یک تیر کامپوزیتی پرداخته شده که دارای پیچش اولیه است به نحوی که یک انتهای تیر بدون پیچش و انتهای دیگر تیر دارای حداکثر زاویه پیچش می باشد. تیر در این تحقیق لایه ای بوده به نحوی که هر لایه با مقداری از صفحات گرافن تقویت شده است. لایه های مختلف مقادیر مختلفی تقویت کننده دارند که موجب ایجاد یک توزیع هدفمند خواهد شد. مدول الاستیسیته کامپوزیت با قانون هالپین-سای و دو خاصیت چگالی و ضریب پوآسون به کمک قانون ساده مخلوط ها محاسبه شده اند. برای مدلسازی تیر از تیوری تیر تیموشنکو استفاده شده است. توابع شکل به کار رفته در روش ریتز از نوع توابع چبیشف انتخاب شده است. با استفاده از روش ریتز و توابع چبیشف فرم ماترسی معادلات حاکم بر ارتعاشات آزاد حاصل شده و از حل این معادلات به شکل یک مساله مقدار ویژه، فرکانس های طبیعی تیر پیچیده شده به عنوان نتایج حاصل از این تحقیق به دست آمده اند. این نتایج در ابتدا با مراجع دیگر به شکل های مختلف صحت سنجی شده است. سپس تاثیر پارامترهای مختلف همچون تعداد لایه های کامپوزیت، شرایط مرزی، زاویه پیچش، نرخ زاویه پیچش، کسر حجمی گرافن و نحوه چیدمان آنها بر روی ارتعاشات آزاد تیر مورد نظر بررسی شده است. نتایج این تحقیق به خوبی نشان می دهد که بالا رفتن کسر حجمی گرافن باعث بالاتر رفتن فرکانس های طبیعی تیر می شود به طوری که بالاترین فرکانس ها مربوط به الگوی توزیع FG-X بوده و کمترین فرکانس های طبیعی در حالت FG-O مشاهده می شود. اثر زاویه پیچش نیز بر روی فرکانس طبیعی تیر به شماره فرکانس بستگی دارد به طوری که با بالا رفتن نرخ زاویه پیچش، فرکانس های تیر ممکن است کاهش یا افزایش پیدا کنند.
    کلیدواژگان: تیر کامپوزیتی، تیر پیچیده شده، صفحات گرافن، رابطه هالپین-سای، روش ریتز، زاویه پیچش، توابع چبیشف
|
  • Mohsen Bahrami, Fathollah Ommi Pages 6-30

    In this paper, the starting and steady-periodic characteristics of a multi-stage looped-branched thermoacoustic cryocooler and its uncertainty with respect to effective parameters are calculated and discussed. In this regard, the start-up and nominal performance of the system are simulated using the numerical solution of Rott's one-dimensional equations. Numerical and experimental results of a similar system confirm the validity of the results of the present article. Simulation outcomes show that the number of stages, mean pressure and loop perimeter can significantly change the system performance. In contrast to previous findings, the results in this paper show that increasing the number of stages or increasing the mean pressure does not necessarily improve thermodynamic performance. Besides, Morris method is implemented to quantify uncertainty of the operating parameters of a four-stage cryocooler in relation to the geometric, modeling and material characteristics. The results reveal that the gas characteristics, solid conductivity and mesh geometry of the engine and refrigerator regenerator have a dominant nonlinear effect on the required hot temperature, exergy efficiency, relative Carnot efficiency, cooling load and temperature. Moreover, by adding additional thermodynamic cores in each stage, the amount of acoustic work and total enthalpy and its uncertainty increase and the effect of solid thermal conductivity decreases. With the developed model and main findings of this paper, one can optimize a reliable thermoacoustic cryocooler based on its onset and steady characteristics.

    Keywords: pulse tube cryocooler, Multi-stage looped-branched system, Steady periodic characteristics, Onset characteristics, Uncertainty quantification
  • Alireza Shamikhi, Masoud Aryanpour * Pages 31-59
    In this paper, we optimize the arrangement of cells in a Lithium-ion battery pack using an air-cooling thermal management system under operating conditions in transportation applications. The thermal and electrochemical behavior of battery cells is modeled using the quasi-two-dimensional approach by Newman’s method. The effects of inter-cellular distance on the maximum temperature, and on the temperature distribution in the pack as the target variables are thoroughly investigated. A suitable range for the above distances are then determined in order to reduce the overall cooling power and the expected thermal performance of the pack. According to this study, by reducing the distance between the batteries, the temperature of the cells decreases. However, this reduction in the distance also reduces the battery pack's temperature uniformity and cooling efficiency. The results of the temperature distribution are investigated, analyzed, and discussed. Finally, by examining the effect of the number of pack cells on the cooling efficiency, it is shown that increasing the number of cells initially increases the cooling efficiency; however, after a certain limit, it leads to a decrease in the cooling efficiency.
    Keywords: Lithium-ion batteries, Battery Management System, Air-cooling, Optimization, Newman’s model
  • Maziar Janghorban * Pages 60-79
    Trapezoidal plates are referred to as simple models for aircraft wings. These wings can be produced from different materials, each of which has its own advantages. One of the materials that has attracted the attention of researchers in recent years is nanocomposites, which with their high strength and low weight can be a good option for making aircraft wings. In fact, when nanocomposites are produced, they are not without weaknesses and have weaknesses that reduce their mechanical properties. One of these weaknesses is the agglomeration of nanotubes. In the present paper, a trapezoidal nanocomposite plate will be modeled and its behavior in the presence or absence of nanotubes agglomeration will be compared. The data extracted from the relations are for bending of trapezoidal plates. For this purpose, the three-dimensional theory of elasticity will be used as the most accurate theory for modeling of thin and thick plates. A review of the research conducted so far concludes that this is the first time that the effect of nanotubes agglomeration on the flexural behavior of trapezoidal plates has been studied.  It is worth mentioning that in the studied cases, it was observed that the agglomeration of nanotubes has no significant effect on the final results and can be neglected by engineering approximation.
    Keywords: Trapezoidal Plate, Nanocomposite, Agglomeration of Nanotubes, Bending, 3D elasticity theory
  • M. Abolfazl Mokhtari *, Mohsen Rostmi Pages 80-96
    Nowadays, industrial systems deal with a wide range of constraints. Input saturation and lack of system model are two types of these constraints. In this paper, a separate model free adaptive data-driven controller for a nonlinear system called a simulator with the conventional configuration of a main single-tailed propeller, twin rotor MIMO system (TRMS) in the presence of input saturation is presented. In the proposed controller, the design of the control input signal only depends on the input and output data of the system and the system model is not used. The purpose of this paper is to control the horizontal and vertical angles of the TRMS system. For this purpose, at first, using the model of TRMS that has been presented for this system in previous articles, a model of the relevant system is expressed and then only using the input and output data obtained from that model, control the defined angles with a separate model free adaptive data-driven control method. Finally, the performed simulations demonstrate the effectiveness of the proposed method for the TRMS, by using two difference reference signals named variable steps and sinusoidal.
    Keywords: Adaptive control, Data-Driven Control, TRMS
  • Rahmat Abedzadeh Maafi, Shahram Etemadi Haghighi *, MohammadJavad Mahmoodabadi Pages 97-127

    This research aims to provide efficient analytical models for computing the aerodynamic forces exerted on the wings and the tail of a flapping-wing robot. To achieve this purpose, at first, the aerodynamic model of the wings is presented based upon the parallel strips theory and by considering the effects of wing flexibility. Afterward, the aerodynamic model of the tail is introduced regarding the effects of pressure difference on the tail surfaces, leading edge vortices and air friction. Next, the optimal coefficient of wing flexibility is obtained utilizing the genetic algorithm. Ultimately, in order to validate, the results of the proposed models are compared with the models presented in the former studies and the measured experimental data. Simulation results demonstrate that the aerodynamic forces reckoned by the suggested strategies are closer to the experimental data in comparison with the previous models.

    Keywords: Flapping-wing robot, Flexible wings, Lift force, Thrust force, Optimization, genetic algorithm
  • Sahar Goudarzi Hafshejani, Yaser Kiani * Pages 128-167
    In this work, free vibrations of a composite beam is investigated. Considered composite beam is assumed with the presence of pre-twist. One of the beam is without twist while the other end of the beam has the maximum twist angle. Twist rate in the beam is assumed to be non-constant where a higher order polynomial variation of twist angle is assumed. Composite beam of this study is composed of a number of layers where each layer of the beam is reinforced with graphene platelets. Layers may have different amount of graphene which leads to the functionally graded composite laminated beam with pre-twist. Elasticity modulus of the beam is estimated by means of the Halpin-tsai rule while the mass density and Poisson's ratio are assumed using the simple rule of mixtures approach. Timoshenko beam theory is adopted to estimate the displacement field in the beam. Due to the present of twist, five degrees of freedom containing three displacements and two cross-section rotations are considered. Using the Hamilton principle and with the aid of the Ritz method, the equations of motion are discretized. Shape functions of the Ritz method are constructed by means of the Chebyshev polynomials. This set of functions are orthogonal and has high rate of convergency. Matrix representation of the governing equations is obtained using the Chebyshev-Ritz method. The governing equations of the free vibration motion are established and solved as an eigenvalue problem. Results of this study cover the case of free vibration of a graphene platelet reinforced composite laminated pre-twisted beam. At first results of this study are validated with the available data in the open literature and also the required number of shape functions in the Ritz method are estimated through the convergence studies. After that using parametric studies, the influences of different parameters such as number of layers of composite, boundary conditions, twist angle, twist rate, graphene weight fraction and their pattern are explored. Numerical results of this study show that by increasing the weight fraction of graphene platelets, natural frequencies of the beam are enhanced. Also through adoption of a proper pattern, the natural frequencies in the beam may be controlled. The effect of twist angle on the frequencies of the beam is shown. It is depicted that increasing the twist angle may increase/decrease the frequencies depending on the mode number.
    Keywords: Composite beam, Twisted Beam, Graphene Platelets, Halpin-Tsai Rule, Ritz method