فهرست مطالب

مهندسی مکانیک امیرکبیر - سال پنجاه و پنجم شماره 6 (شهریور 1402)

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و پنجم شماره 6 (شهریور 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/06/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • میلاد عدل، امیر تقوی پور*، فرشاد ترابی صفحات 677-704

    باتری های لیتیومی همواره باید از نظر حرارتی و الکتریکی نظارت شوند تا از مشکلات ایمنی همچون گریز حرارتی جلوگیری شود. اکثر روش های مدیریت حرارتی بر اساس طراحی سیستم خنک کاری مطلوب هستند. از سوی دیگر، به دلیل اینکه دمای سطح باتری با سنسور قابل اندازه گیری است، معیار مدیریت حرارتی دمای سطح سلول است. این در حالی است که دمای داخل باتری می تواند در شارژ و دشارژ سریع، بالاتر بوده و سیستم خنک کاری به تنهایی قادر به کنترل دما نباشد. در این مقاله تلاش شده است که مدیریت حرارتی باتری را با سیستم مدیریت الکتریکی باتری ادغام کرد و معیار مدیریت حرارتی، دمای داخل سلول قرار گیرد. برای دستیابی به این هدف، از کنترل پیش بین (MPC) برای کنترل جریان اعمالی یا کشیده شده از باتری استفاده شده است. نتایج تجربی و شبیه سازی نشان می دهد که استفاده از MPC و تخمینگرهای غیر خطی کالمن می تواند روشی هوشمند و نوین برای مدیریت همزمان متغیرهای الکتریکی و حرارتی سلول های لیتیومی باشد. همچنین انتظار می رود که در روش معرفی شده، با مدیریت دمای داخل سلول در فرآیندهای شارژ-دشارژ سریع، ایمنی و طول عمر سلول افزایش یابد.

    کلیدواژگان: باتری های لیتیمی، سیستم مدیریت حرارتی، سیستم مدیریت الکتریکی، کنترل پیش بین، فیلتر های غیر خطی کالمن
  • محمد سالاری*، فاطمه ابراهیمی صفحات 705-722
    از مهمترین تحلیل ها در طراحی سازه های مختلف مخصوصا مخازن تحت فشار و بررسی ایمنی آن ها، تحلیل مکانیک شکست میباشد. یکی از پارامترهای مهم در علم مکانیک شکست، بررسی ضریب شدت تنش ترک های موجود در دیواره مخزن است. در مطالعه حاضر، رفتار یک ترک نیم بیضوی در مخزن تحت فشار کروی ساخته شده از جنس مواد مدرج تابعی با استفاده از نرم افزار اجزاء محدود آباکوس مورد مطالعه قرار گرفته است. اثر پارامترهایی از قبیل هندسه ترک، دو ترک داخلی و خارجی همزمان، توزیع فشار، توزیع بار حرارتی، تغییر ات خواص ماده مدرج تابعی و شرایط تکیه گاهی بر مقدار ضریب شدت تنش بررسی شده است. برای مدل سازی و تحلیل ضریب شدت تنش در این نوع مخزن از توابع مختلف توانی، نمایی و خطی در قالب کد متلب و همینطور یک کد سابروتین استفاده شده است. هندسه ترک نیز از عوامل مهمی است که بر ضریب شدت تنش اثر بسزایی می گذارد. بطوریکه با افزایش مقدار a/c ضریب شدت تنش نیز افزایش می یابد. همچنین بررسی شرایط تکیه گاهی نشان می دهد که با افزایش تعداد پایه ها، ضریب شدت تنش نیز افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: ترک نیم بیضوی، مخزن تحت فشار کروی، مواد مدرج تابعی، ضریب شدت تنش، تحلیل حرارتی
  • صادق حسینی، محمدمهدی برزگری*، پویا پیرعلی، جعفر اسکندری جم صفحات 723-736

    در این پژوهش، به بررسی عددی رفتار خمشی صفحات ساندویچی کامپوزیتی با هسته مشبک جهت دستیابی به ساختار کامپوزیت با صلبیت خمشی بالا جهت استفاده در صفحات انتهایی پیل سوختی پلیمری پرداخته شده است. بدین منظور، استحکام خمشی صفحات ساندویچی کامپوزیتی با هسته مشبک بر اساس نوع مواد و استانداردهای مربوطه از طریق شبیه سازی عددی مورد ارزیابی قرار گرفت. شبیه سازی عددی در نرم افزار آباکوس و با استفاده از روش اجزای محدود انجام شده و صحت شبیه سازی با مقایسه میان نتایج عددی و نتایج تجربی پژوهش های پیشین مورد ارزیابی قرار گرفت. در این راستا، تاثیر زوایای مختلف الیاف در رویه ها برای سه زاویه الیاف (90-45-0)، (45-90-0) و (45-90-0) و نیز سه هندسه مختلف مربعی، مثلثی و لوزی هسته مشبک برای مواد C/Sic و E-Glass Epoxy بر رفتار خمشی صفحات ساندویچی کامپوزیتی تحلیل گردید. نتایج عددی حاکی از آن است که در شرایط یکسان مواد C/Sic در آزمون تنش سه نقطه ای عملکرد بهتری را دارا می باشد. همچنین، تنش بیشینه در لحظه شکست برای مقاطع مستطیلی و لوزی و زاویه الیاف (0-45-90) تقریبا 25 درصد از زاویه الیاف (0-90-45) و (45-90-0) بیشتر می باشد، در حالی که تاثیر زاویه الیاف برای هندسه مثلثی بسیار ناچیز بوده است. علاوه بر این، هسته مثلثی شکل در تمامی نمونه ها دارای ظرفیت بار بحرانی، مقاومت خمشی و جذب انرژی بالاتری (حداقل 4/1 تا 6 برابر) نسبت به دو نمونه دیگر می باشد.

    کلیدواژگان: پیل سوختی پلیمری، ساندویچ پانل کامپوزیت مشبک، صفحه انتهایی، استحکام خمشی، روش اجزای محدود
  • امین ترقی اسگویی*، بهروز محمدعلیزاده، اتابک دوبختی صفحات 737-758
    رشته حفاری به دلیل طول زیاد آن و نیروی های دینامیکی ناشی از اندرکنش مته و سنگ در معرض ارتعاشات شدید قرار دارد. ابزار ضد چسبندگی-لغزش که در انتهای رشته حفاری و درون تجهیزات ته چاهی قرار دارد، مانع از وقوع چسبندگی-لغزش می شود. در این پژوهش یک مدل جدید برای تحلیل ابزار ضد چسبندگی- لغزش ارایه شده است که محدودیت های مدل های قبلی برای مدل سازی رشته حفاری به همراه ابزار ضد چسبندگی- لغزش را ندارد. زمانی که ابزار در حالت غیرفعال قرار دارد، سیستم با دو درجه آزادی مدل سازی شده و ابزار مانند یک جسم صلب رفتار می کند. با فعال شدن ابزار یک درجه آزادی با توجه به قید سینماتیکی ابزار به مدل اضافه شده و سیستم به صورت یک مدل سه درجه آزادی خواهد بود. بر اساس مدل ارایه شده و شرط های تعیین شده ابزار بین حالت غیرفعال با دو درجه آزادی و حالت فعال با سه درجه آزادی تغییر وضعیت می دهد. نتایج به دست آمده از شبیه سازی دینامیک ابزار حاکی از رفتار منطقی ابزار در حضور نیرو و گشتاورهای خارجی وارد بر دو بخش ابزار می باشد. مدل ارایه شده به خوبی اثر وزن روی مته و وزن روی قلاب نگهدارنده در فعال سازی ابزار را نشان می دهد. با استفاده از مدل ارایه شده و در یک حالت مشخص، رفتار غیر خطی ابزار که ناشی از تغییر وضعیت بین دو دستگاه معادلات خطی می باشد، نشان داده شده است
    کلیدواژگان: ارتعاشات پیچشی، رشته حفاری، سیستم ضد چسبندگی- لغزش، اصطکاک داخلی
  • سید حسین دیباجیان*، محمد گندمکار، پدرام صفرپور صفحات 759-772

    پوسته کروی به دلیل مقاومت به کمانش بالا، یک هندسه ایده آل برای استفاده در مخازن تحت فشار یکنواخت خارجی است. فشار فرو ریزش این گونه سازه ها به دلیل حساسیت زیاد به نواقص ساخت و تنش تسلیم ماده بسیار کمتر از مقدار تیوری آن می باشد. فشار فروریزش پوسته های کروی بر خلاف پوسته های استوانه ای، تنها به میزان نقص وابسته نیست و به شکل نقص نیز بسیار وابسته است. از آنجایی که شکل نقص وابسته به روش ساخت پوسته دارد، بنابراین لازم است تاثیر روش ساخت بر فشار فروریزش بررسی شود. این مقاله بر مطالعه تجربی و عددی کمانش پوسته نیم کروی ساخته شده به روش شکل دهی چرخشی متمرکز شده است. مهمترین مشکل این روش شکل دهی عدم کنترل بر ضخامت است. در مقابل، در این روش نواقص آن به صورت متقارن محوری است که از مزایای این روش شکل دهی به شمار می آید. در این مقاله تحلیل کمانش ناشی از تغییرات قطر و تحلیل کمانش ناشی از تغییرات ضخامت به صورت مجزا و همزمان، انجام شده است. نشان داده شده است که تغییرات ضخامت در شکل دهی چرخشی در تحلیل فرو ریزش پوسته ها باید در نظر گرفته شود. به کمک مقایسه نتایج عددی و تجربی نشان داده شده به کمک المانهای حجمی مرتبه 2، تغییرات ضخامت و شرایط مرزی با دقت بالاتری نسبت به المان پوسته قابل اعمال است.

    کلیدواژگان: کمانش، فرو ریزش، پسا کمانش، شکل دهی چرخشی
  • علیرضا اعلایی*، ناصر نبوی نژاد، پویا بصیر صفحات 773-794

    هدف این پژوهش، انجام یک مطالعه دقیق در مورد مکانیزم سایش آلیاژهای استلایت6 و فولادهای زنگ نزن آستنیتی ER312-ER309 با روکش جوشی توسط فرایند جوشکاری قوسی تنگستن گاز جهت کشف و مقایسه خواص سایشی و مکانیکی آلیاژهای مد نظر بر روی فولاد کم آلیاژ استحکام بالای AISI4340 می باشد. در این پژوهش ریزساختار و رفتار سایشی فولاد کم آلیاژ فوق مستحکم 4340 AISI روکش کاری شده با استفاده از فولادهای زنگ نزن آستنیتی ER309،ER312 و فولاد پایه کبالت استلایت 6 به روش جوشکاری قوس تنگستن-گاز مورد بررسی قرار گرفت. بررسی های ریز ساختاری توسط میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به سیستم طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس انجام گرفت. سختی سنجی به روش ویکرز با بار 30kgf بر روی سطوح و ریزسختی ویکرز در مقاطع عرضی جوش ها به صورت زیگزاگ انجام گرفت. هم چنین جهت ارزیابی رفتار سایشی از آزمایش سایش پین روی دیسک جهت تشخیص مکانیزم سایش استفاده شد. با کاهش شدت جریان در لایه دوم و همچنین با زیاد شدن تعداد لایه های جوشکاری میزان رقت و امتزاج زیر لایه کمتر شده و سختی افزایش یافته، که بیشترین سختی مربوط به استلایت 6 به میزان 565 ویکرز بوده نتایج آزمون سایش نشان داد که بیشترین ضریب اصطکاک مربوط به فلز جوش 309ER به میزان متوسط 0/68و کمترین ضریب اصطکاک مربوط به فلز جوش استلایت 6 به میزان متوسط 0/53 می باشد.

    کلیدواژگان: روکش کاری، آلیاژ AISI 4340، جوشکاری قوسی تنگستن گاز، سایش، ریزساختار
|
  • Milad Adl, Amir Taghavipour *, Farshad Torabi Pages 677-704

    To prevent safety issues such as thermal runaway, lithium-ion batteries must be constantly monitored. Most thermal management methods are based on designing suitable cooling systems. Also, since the surface temperature is measurable through a sensor, it is considered the main criterion of thermal management. However, in extremely fast charge-discharge operations, the core temperature can be significantly higher than the surface temperature, so the cooling system may not be able to solely maintain the core temperature in the safe range. The objective of this paper is to combine electrical and thermal management and set the core temperature as the main criterion. To achieve that, model predictive control (MPC) is implemented to control the supplied or drawn current of the battery cell and Sigma point Kalman filter (SPKF) is used to estimate model states. The simulation and experimental results indicate that incorporating MPC and nonlinear Kalman filter Estimators can be a novel strategy to simultaneously manage electrical and thermal states. It is also expected that controlling the core temperature in fast charge-discharge operations, may increase the safety and lifetime of the cell.

    Keywords: Lithium-ion batteries, Thermal management system, Electrical management system, model predictive control, Nonlinear Kalman filter
  • Mohammad Salari *, Fatemeh Ebrahimi Pages 705-722
    One of the most important analyses in the design of various structures, especially pressure vessels and their safety is the fracture mechanics. One of the important parameters in fracture mechanics is the study of the stress intensity factor of cracks in the tank wall. In the present study, the behavior of a semi-elliptical crack in a spherical pressure vessel made of functionally graded materials has been studied using Abaqus finite element software. The effects of parameters such as crack geometry, simultaneous internal and external cracks, pressure distribution, thermal load distribution, changes in the properties of the functionally graded material, and support conditions on the value of the stress intensity factor have been investigated. In order to model and analyze the stress intensity factor in this type of tank, various power, exponential and linear functions were used in the form of MATLAB code as well as a subroutine code. The results showed that with increasing pressure, the stress intensity factor increases. Crack geometry is also an important factor that has a significant effect on the stress intensity factor. So with the increase of the a/c value, the stress intensity factor also increases. Also, the examination of the support conditions shows that with the increase in the number of foundations, the stress intensity factor also increases.
    Keywords: FGM, Stress intensity factor, Semi-elliptical crack, Spherical pressure vessels, Thermal analysis
  • Sadegh Hoseini, MohammadMahdi Barzegari *, Pouya Pirali, Jafar Eskandarijam Pages 723-736

    Endplates are one of the most important components of polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell that must apply uniform contact pressure distribution on the membrane electrode assembly (MEA). For this reason, these plates must have good bending rigidity. In this research, the bending behavior of composite sandwich plates has been investigated numerically in order to achieve a composite structure with high bending stiffness for use in the endplates of PEM fuel cells. For this purpose, the bending strength of composite sandwich panels with grid core was evaluated based on the type of material and relevant standards through numerical simulation. Numerical simulation has been performed in Abaqus software using finite element method. The effect of different angles of fibers in and three different geometries of square, triangular and diamond grid core for C/Sic and E-Glass Epoxy materials on the bending behavior of composite sandwich panels were analyzed. The obtained results indicate the better performance of C/Sic materials in the stress test, as well as the more suitable bending behavior of triangular mesh geometry with fiber angles (0-45-90).

    Keywords: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Composite Sandwich Panel, Endplate, Bending strength, finite element method
  • Amin Taraghi Osguei *, Behrouz Mohammad Alizadeh, Atabak Dobakhti Pages 737-758
    The drill-string is exposed to strong vibration due to its long length and the dynamic forces caused by the bit-rock interactions. The Anti Stick-Slip Tool which is located at the end of the drill-string and inside the bottom hole assembly prevents occurrence of the stick-slip. In this research, a new model for investigation of this tool is presented, which covers the limitations of previous models for analyses of the drill-string along with Anti Stick-Slip Tool. The system is modelled with two degrees-of-freedom in non-activated state and behaves like a rigid body. By activation of the tool, a degree-of-freedom is added to the system based on kinematic constraint of the tool and the system becomes three degrees-of-freedom. Based on the proposed model and determined conditions, the tool switches between the non-activated state with two degrees-of-freedom and the active state with three-degrees-of-freedom. The results obtained by simulating the dynamics of the tool represent a sensible behavior of the tool in presence of the external forces and torques on two parts of the tool. The proposed model precisely demonstrates the effect of weight on bit and weight on hook on the activation of the tool. The non-linear behavior of the tool caused by the switch between two set of linear equations has been discussed by using the presented model in a certain operational condition.
    Keywords: Torsional vibration, Drill-string, Anti Stick-Slip Tool, Internal Friction
  • Seyed Hossein Dibajian *, Mohamad Gandomkar, Pedram Safarpour Pages 759-772

    Due to its buckling resistance, the spherical shell is an ideal geometry for use in pressure vessels under uniform external pressure. The collapse pressure of these types of shells is much lower than its theoretical value due to the high sensitivity to imperfections and the yield stress of the material. Unlike cylindrical shells, the collapse pressure of spherical shells is not only dependent on the size of the imperfection, but is also dependent on the shape of the imperfection. Since the imperfection depends on the sheet metal forming method, it is necessary to investigate the effect of the fabrication method on the collapse pressure. This article is focused on experimental and numerical study of buckling of hemispherical shell made by spinning forming method. The most important problem of this method is the lack of control over the thickness. In this method, the imperfections are axially symmetrical, which is one of the advantages of this method. In this article, buckling analysis due to both diameter and thickness variations are done separately and simultaneously. It has been shown that thickness variations in rotational forming should be considered in the analysis of shell collapse. Also, by comparing the numerical and experimental results shown with the help of quadratic volume elements, thickness changes and boundary conditions can be applied with higher reliability compared to the shell element.

    Keywords: Buckling, Collapse, Post buckling, Spinning Forming
  • Alireza Alaei *, Nasser Nabavinejad, Pouya Basir Pages 773-794

    is In this research, the microstructure and wear behavior of high-strength AISI 4340 low-alloy steel coated using austenitic stainless steels ER309, ER312 and cobalt base steel stellite 6 were investigated by tungsten-gas arc welding method. Microstructural investigations were carried out by optical microscope and scanning electron microscope equipped with X-ray energy diffraction spectroscopy system.Hardness measurement was done by Vickers method with a load of 30kgf on the surfaces and Vickers microhardness in the transverse sections of the welds in zigzag form. Also, in order to evaluate the wear behavior, the wear test of the pin on the disc was used to identify the wear mechanism. By reducing the intensity of the current in the second layer and also by increasing the number of welding layers, the dilution and mixing of the sub-layer decreased and the hardness increased, and the highest hardness was 565 (HV) for stellite6. The results of the wear test showed that the highest friction coefficient was related to ER 309 weld metal has an average value of 0.68 and the lowest friction coefficient is related to stellite 6 weld metal with an average value of 0.53.

    Keywords: Cladding, AISI 4340 alloy, gas tungsten arc welding, wear, Microstructure