فهرست مطالب

مهندسی مکانیک امیرکبیر - سال پنجاه و پنجم شماره 10 (دی 1402)

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و پنجم شماره 10 (دی 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/10/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • کیوان ترابی*، داود شریفی دولت آبادی، محسن ایرانی رهقی، حامد شهبازی صفحه 1

    تحرک یک پرنده ی کوادروتور یا اوکتاروتور در پیکربندی استاندارد به دلیل موازی بودن بردارهای نیروی روتورها محدود ‏است و آنها فقط دارای چهار درجه آزادی فعال هستند. بنابراین قابلیت کنترل شش درجه ی آزادی به صورت مستقل برای ‏آن ها وجود ندارد. در این پژوهش یک ساختار و پیکره بندی جدید برای یک اوکتا روتور طراحی می گردد تا برخلاف پرنده ‏های با ساختار استاندارد که تنها در حالت افقی می توانند در یک محل مشخص معلق بمانند، قابلیت معلق ماندن با زوایای ‏رول یا پیچ در یک موقعیت مشخص را داشته باشند، به معنی دیگر در این پرنده علاوه بر دنبال کردن موقعیت ، دنبال کردن ‏جهت گیری نیز به اهداف پرنده اضافه شده است. در مدل پیشنهادی می توان از تغییر در سرعت هشت روتور و تغییر در ‏زاویه ی چهار بازو برای کنترل بهره برد، در واقع این سرعت ها و زوایا به نحوی تعیین می گردد تا قابلیت مانورپذیری ‏پرنده به نحو مطلوب تامین شود. پس از استخراج مدل دینامیکی اوکتاروتور پیشنهادی، یک کنترل کننده با استفاده از ‏شبکه های عصبی و روش یادگیری تقویتی پیشنهاد می گردد که قابلیت کنترل اوکتاروتور پیشنهادی با شش درجه ی آزادی ‏مستقل را خواهد داشت. در نهایت قابلیت تعقیب مسیر و وضعیت اوکتاروتور و همچنین مقاوم بودن کنترلر نسبت به ‏اختلالات احتمالی در عملکرد موتورها بررسی شده و نتایج شبیه سازی های عددی ارایه می گردد.‏

    کلیدواژگان: اوکتاروتور با زاویه بازوهای متغیر، یادگیری تقویتی، تعقیب مسیر، درجات آزادی مستقل، اختلال در عملکرد موتورها
  • حمید ادب زاده، محمدمصطفی محمدی*، جعفر غضنفریان صفحه 2

    در این مقاله، برداشت کننده انرژی پیزوالکتریک از نوع تیرهای یک سرگیردار با قابلیت زاویه دار شدن نسبت به راستای عمودی و همچنین همراه با باله ای مستطیلی شکل متصل به انتهای برداشت کننده مورد بررسی قرار گرفته است. هدف از مطالعه حاضر، بررسی اثر پارامترهای طراحی مانند زاویه تمایل برداشت کننده انرژی، فاصله آن از منبع موجی، عمق فرورفتگی تیر و وجود یا عدم وجود باله در انتهای تیر، روی ولتاژ موثر خروجی برداشت کننده انرژی است. بازدهی پایین مهم ترین محدودیت پیشروی برداشت کننده های انرژی پیزوالکتریک است و به همین دلیل استفاده از روش های مبتنی بر طراحی آزمایش و بهینه-سازی با هدف افزایش بازدهی برداشت کننده های پیزوالکتریک، ضروری است. جهت اجرای مطالعه تجربی، طراحی آزمایش ها با استفاده از روش مرکب مرکزی (CCD) و آنالیز مدل تجربی و بهینه سازی پارامترهای طراحی با استفاده از روش رویه های پاسخ (RSM) صورت گرفته است. همچنین اثر تجهیز برداشت کننده انرژی به باله روی ولتاژ نهایی بررسی شده است. در دو حالت برداشت کننده بدون باله و با باله، بیشترین ولتاژ موثر زمانی بدست می آید که نسبت عمق فرورفتگی بیشترین حد و نسبت فاصله طولی از موجساز در کمترین حد خود و مقدار زاویه تمایل بین 6 و 8 درجه باشد. از طرفی ولتاژ بیشینه تیر باله دار به میزان 5/16 درصد کمتر از تیر بدون باله است. همچنین زاویه تمایل بهینه در حالت بدون باله برابر با 7/6 درجه و در حالت باله دار برابر با 5/8 درجه است.

    کلیدواژگان: برداشت کننده انرژی، تیر یک سرگیردار باله دار، زاویه انحراف، روش مرکب مرکزی
  • سعید قربانعلی*، اسماعیل زمین پیما صفحه 3

    در این تحقیق، دو آلوتروپ کربن فوق سخت رسانای جدید αC28 و βC32 با استفاده از نظریه تابعی چگالی (DFT) پیش بینی می شود. این ساختارهای چهار ضلعی پایدار متعلق به گروه فضایی P4/MMM هستند. شبیه سازی دینامیک مولکولی انجام گرفته تحت آنسامبل کانونیک (NVT) به منظور بررسی پایداری حرارتی کریستال های کربنی جدید αC28 و βC32 در دماهای 300 و 1000 کلوین، پایداری حرارتی آنها را تایید می کند. به منظور بررسی پایداری مکانیکی و الکترونیکی این دو ساختار، ضرایب مکانیکی و نوارهای انرژی آنها محاسبه گردید. این آلوتروپ های کربن جدید از هیبریداسیون پیوندی sp2 و sp3 تشکیل شده است که نشان دهنده خواص مکانیکی عالی با سختی ویکرز 45.7 و 47.9 GPa است. از دیگر خواص مکانیکی این کریستال ها می توان به مدول حجمی (265.8، 284.9)، مدول برشی (254.7، 273.5) و مدول یانگ (579.1، 621.6) اشاره نمود که تاییدی بر فوق سخت بودن این ساختارها دارد. نتایج مربوط به ساختار نوارهای الکترونیکی نشان می دهد که هر دو ساختار دارای خواص رسانایی می باشد. پهنای هر دو نوار رسانش و ظرفیت برای هر دو ساختار حدود eV 20 است. نتایج محاسبات نشان می دهد که αC28 و βC32 می تواند در آینده به صورت آزمایشگاهی سنتز شوند تا کاربردهای بالقوه ای در وسایل مکانیکی و الکترونیکی خواهد داشت.

    کلیدواژگان: ساختارهای کربنی جدید، مواد فوق سخت، پایداری حرارتی، ضرایب الاستیک، خواص الکترونیکی
  • امجد سازگار*، محمد رنجبرکهن، علی پورکمالی انارکی صفحه 4

    پارامترهای زیادی از جمله استراتژی اسکن، سرعت، توان و... بر خواص مکانیکی و فیزیکی قطعات ساخته شده به روش فرآیند ذوب انتخابی لیزر تاثیر دارند. انتخاب صحیح و بهینه این پارامترها از ایجاد نقص هایی چون تخلخل، سوراخ های همجوشی ناقص و ترک ها در فرآیند ساخت قطعات جلوگیری می کند. با وجود تمام مزایای روش فرآیند ذوب انتخابی لیزر، نقص های ایجادشده به طور مستقیم بر خواص مکانیکی و مقاومت به خستگی قطعات تاثیر منفی می گذارد. در این پژوهش، اثر زوایای ساخت صفر، 45 و90 درجه و اثر تغییر اندازه قطعات بر خواص مکانیکی ازجمله استحکام کششی و برشی، کرنش شکست و میزان نقص ها بررسی شد. قطعات ساخته شده تحت آزمون های کشش و برش قرار گرفته و محل شکست با استفاده از SEM بررسی و نقص های موجود شناسایی شد. نتایج آزمون کشش نشان داد نمونه های بزرگتر دارای استحکام کششی بیشتری نسبت به نمونه های کوچکتر هستند. همچنین، استحکام کششی بیشتر و کرنش شکست کمتر در نمونه های ساخته شده در جهت صفر درجه مشاهده شد. نتایج آزمون برش نیز نشان داد استحکام برشی برای نمونه های کوچک و بزرگ ساخته شده در همه جهات تقریبا یکسان است و بیشترین کرنش برشی شکست مربوط به نمونه های ساخته شده 45 درجه مستقل از ابعاد می باشد. نتایج SEM نیز نشان داد که میزان و توزیع حفره های کروی و شکاف های همجوشی در نمونه های بزرگ ساخته شده90 درجه بیشتر از نمونه های ساخته شده در جهت صفر و 45 درجه است.

    کلیدواژگان: ذوب انتخابی لیزر، فولاد 316L، جهت و اندازه ساخت، نقص و تخلخل
  • امیرمسعود علیمردان، محمود نوروزی*، مجتبی قطعی، محمدباقر نظری، محمدحسین ایزدی فرد، امیرحسین یعقوبی صفحه 5

    امروزه، با توجه به حرکت صنایع در مسیر هوشمندسازی، استفاده از مواد هوشمند در صنعت به طور پیوسته در حال گسترش است. الاستومرهای مگنتوریولوژیکال، از جمله مواد هوشمندی هستند که به دلیل داشتن دو ویژگی مهم یعنی سفتی و میرایی قابل تنظیم، دارای کاربردهای فراوانی در صنعت شده-اند. با توجه به این مهم، شناخت رفتار و عملکرد این مواد در سیستم های مختلف یک امر ضروری می باشد. در این پژوهش، با ساخت الاستومرهای مگنتوریولوژیکال و انجام آزمایش کشش-فشار تحت مقادیر مختلفی از فرکانس، کرنش، چگالی شار مغناطیسی و پیش کرنش بر روی آنها، به بررسی رفتار این مواد و تحلیل اثر پیش کرنش بر مدول دینامیکی و رفتار تنش-کرنش آنها و مدلسازی این رفتار پرداخته می شود. ارزیابی اثر پیش کرنش بر مدول دینامیکی و رفتار تنش-کرنش، بررسی اثر پارامترهای دیگری چون فرکانس، کرنش و چگالی شار مغناطیسی بر پاسخ دینامیکی این مواد، و ارایه یک مدل جدید با لحاظ کردن اثر پیش کرنش برای پیش بینی رفتار آنها در شرایط بارگذاری مختلف، از نوآوری های مهم این پژوهش به شمار می آیند. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می دهند که اعمال پیش کرنش، باعث افزایش مدول دینامیکی در کلیه حالت های بارگذاری می شود. علاوه بر آن، مقدار اثر مگنتوریولوژیکال نسبی با اعمال پیش کرنش کمتر شده و بیشترین اثر مگنتوریولوژیکال نسبی به میزان 32/288% در کرنش 4%، فرکانس 7 هرتز و بدون اعمال پیش کرنش ایجاد می شود.

    کلیدواژگان: الاستومر مگنتورئولوژیکال، پیش کرنش استاتیکی، مدول دینامیکی، تنش-کرنش، الگوریتم ژنتیک
  • آریانا اکبری، رضوان عابدینی* صفحه 6

    در پژوهش حاضر از روش شبیه سازی اجزاء محدود و آزمون های تجربی برای طراحی، ساخت و ارزیابی عملکرد یک مجموعه رادیاتور ارتعاشی فراصوتی توان بالا بهره گرفته شده است. دو هدف اصلی در طراحی دستیابی به فرکانس تشدید نامی 20 کیلوهرتز در شکل مود ارتعاش طولی مجموعه ترنسدیوسر و بوستر و شکل مود خمشی صفحه رادیاتور و دور نمودن شکل مودهای مزاحم از محدوده فرکانسی شکل مود اصلی است. پس از طراحی و ساخت نمونه براساس نتایج شبیه سازی، آزمون های تجربی تحلیل مودال، آزمون ضربه و تحلیل امپدانسی برای ارزیابی مشخصات عملکردی مجموعه رادیاتور ارتعاشی فراصوت انجام گرفت. جهت صحت سنجی، نتایج شبیه سازی شامل فرکانس تشدید و موقعیت گره و شکم ارتعاشی با نتایج آزمون تجربی مقایسه شدند. نتایج آزمون های تجربی تعیین فرکانس تشدید و مقایسه آن با نتایج شبیه سازی (خطای کمتر از 0.5 درصد)، بیانگر دقت پیش بینی نتایج و تطابق فرکانس تشدید با مقدار نامی طراحی شده است. همچنین شکل مودهای مزاحم با فاصله قابل قبولی از شکل مود اصلی خمشی رادیاتور قرار داشتند. در نهایت نتایج آزمون اندازه گیری دامنه ارتعاشی بیانگر تطابق موقعیت نقاط گره و شکم ارتعاشی در آزمون تجربی با مقادیر شبیه سازی اجزاء محدود می باشد.

    کلیدواژگان: رادیاتور فراصوتی، ارتعاشات فراصوتی، شبیه سازی اجزاء محدود، فرکانس رزونانس، دامنه ارتعاشات
|
  • Keivan Torabi *, Davoud Sharifi Dolatabadi, Mohsen Irani Rahghi, Hamed Shahbazi Page 1

    The maneuverability of a quadrotor or octorotor UAV is limited in the standard configuration ‎because the force vectors of the propellers are parallel and only have four active degrees of ‎freedom. Therefore, they lack the controllability of six independent degrees of freedom. This ‎study designs a novel configuration for an octorotor capable of hovering with roll or pitch angles in ‎a specific position, contrary to UAVs with a standard configuration that can only hover in a ‎horizontal position. In other words, in this octorotor, orientation tracking is also added to the ‎octorotor's targets in addition to position tracking. The proposed model can be controlled by ‎altering the velocity of the eight rotors and the tilt angle of the four arms. Such alterations in ‎velocity and tilt angle are such that they can provide the aerial vehicle with most optimum ‎maneuverability. After deriving the proposed dynamic octorotor model, a controller is proposed ‎using neural networks (NNs) and reinforcement learning (RL), capable of controlling the proposed ‎octorotor with six independent degrees of freedom. Finally, trajectory tracking, octorotor position, ‎and controller robustness to possible motor malfunctions are examined, and numerical simulation ‎results are provided.‎

    Keywords: Octorotor with tilt-arm angle, Reinforcement Learning, Trajectory tracking, Independent degrees of &lrm, freedom, Motor malfunctions
  • Hamid Adabzadeh, MohammadMostafa Mohammadi *, Jafar Ghazanfarian Page 2

    In this article, the piezoelectric energy harvester of cantilever type with the ability to be angled relative to the vertical direction, and also with rectangular fins attached to the end of the harvester has been investigated. The purpose of this study is to investigate the effect of design parameters such as the angle of inclination of the energy harvester, its distance from the wave source, the depth of the beam and the presence or absence of fins at the end of the beam, on the effective voltage of the energy harvester output. Low efficiency is the most important limitation for the advancement of piezoelectric energy harvesters, and for this reason, it is necessary to use methods based on tests and optimization with the aim of increasing the efficiency of piezoelectric energy harvesters. In order to carry out the experimental study, experiments have been designed using the central composite design (CCD) and experimental model analysis and design parameters have been optimized using the response surface methodology (RSM). Also, the effect of equipping the energy harvester with a fin on the final voltage has been investigated. It was observed that the optimal conditions for both finned and non-finned harvesters occurs when distance ratio of the beam from the wavemaker is minimum and the depth of penetration ratio is maximum.

    Keywords: Piezoelectric energy harvester, cantilever, TILT ANGLE, Experimental modelling
  • Saeed Ghorbanali *, Esmaiel Zaminpayma Page 3

    In this research, two new superhard metallic carbon allotropes αC28 and βC32 are predicted using density functional theory (DFT). These stable tetragonal structures belong to the P4/MMM space group. Molecular dynamics simulation performed under canonical ensemble (NVT) in order to investigate the thermal stability of new αC28 and βC32 carbon crystals at temperatures of 300 and 1000 K, confirms their thermal stability. In addition, we calculated mechanical coefficients and band gap energy of these two structures to examine their mechanical and electronic stability. These new carbon allotropes are composed of sp2 and sp3 bond hybridization, which shows excellent mechanical properties with Vickers hardness of 45.7 and 47.9 GPa. Other mechanical properties of these crystals such as bulk modulus (265.8, 284.9), shear modulus (254.7, 273.5) and Young's modulus (579.1, 621.6) also confirm the superhardness of these structures. The results related to the electronic band structures indicate that both structures have metallic properties. The width of both conduction and valance bands for both structures is about 20 eV. The results of calculations show that αC28 and βC32 can be synthesized in laboratory in the future and will have potential applications in mechanical and electronic devices.

    Keywords: New carbon structures, Superhard materials, Thermodynamic stability, Elastic constants, Electronic properties
  • Amjad Sazgar *, Mohammad Ranjbarkohan, Ali Pourkamali Anaraki Page 4

    Many parameters,including scanning strategy,speed,power,etc,have an impact on the mechanical and physical properties of the parts made by the selective laser melting process.Correct and optimal selection of these parameters prevents defects such as porosity,incomplete fusion gaps and cracks in the parts of the manufacturing process.Despite all the advantages of the selective laser melting process,the creation of defects directly affects the mechanical properties and fatigue resistance of the parts negatively. In this research,the impact of zero,45,and90degree build orientations,the effect of changing the size of the parts on mechanical properties such as tensile and shear strength,fracture strain,and the number of defects investigated.The built parts were subjected to tensile and shear tests,and the fracture area was examined using SEM and the existing defects identified.The tensile test results showed that larger samples have higher tensile strength than smaller samples.Moreover,higher tensile strength and lower fracture strain were observed in samples made in zerodegree orientation.The results of the shear test also showed that the strength of the shear stress for the small and large samples made in all orientations is almost the same,and the highest shear strain of failure is related to the samples made in the orientation of 45degrees independent of the dimensions.The SEM results also showed that the amount and distribution of spherical holes and fusion gaps in large samples made at90degrees is more than in samples made at 0and45degrees

    Keywords: Selective Laser Melting, 316L steel, Build orientation, size, Defects, porosity
  • Amirmasoud Alimardan, Mahmood Norouzi *, Mojtaba Ghatee, Mohammadbagher Nazari, MohammadHossein Izadifard, Amirhossein Yaghoobi Page 5

    Nowadays, the utilization of smart materials is experiencing rapid growth across a wide range of industrial systems. Magnetorheological elastomers are a class of smart materials and possess two unique features, i.e. adjustable hardness and damping capabilities. These characteristics make them widely used in various industrial applications. Hence, understanding their behavior in different systems is necessary. The focus of this work is to study the dynamic behavior of magnetorheological elastomers under different static pre-strains in tension-compression mode. In this study, three isotropic samples were fabricated and the force-deflection features of them were acquired under harmonic excitation with various strain amplitudes, static pre-strains, frequencies, and magnetic flux densities. Assess the effect of static pre-strain on the dynamic response of the magnetorheological elastomers, studying the effects of other parameters like strains, frequencies, and magnetic flux densities on the dynamic modulus of magnetorheological elastomers, and proposing a novel phenomenological-based model to predict the viscoelastic behavior of magnetorheological elastomers are the innovative aspects of this study. The results showed that the dynamic modulus of magnetorheological elastomers will increase by superimposing the static pre-strain. Furthermore, the relative MR effect decreases when the static pre-strain is applied. The maximum relative MR effect of 288.3158% have been achieved at a strain of 4%, a frequency of 7 Hz, and a static pre-strain of 0%.

    Keywords: Magnetorheological elastomer, Static pre-strain, Dynamic modulus, Stress-strain, genetic algorithm
  • Ariana Akbari, Rezvan Abedini * Page 6

    In the current research, finite element simulation and experimental tests have been used to design, manufacture and evaluate the performance of a high-power ultrasonic radiator. The two main goals in the design are to achieve a nominal resonance frequency of 20 kHz in longitudinal mode shape of the transducer and booster assembly and the flexural mode shape of the radiator plate and to remove the disturbing modes from the frequency range of the main mode shape. After designing and manufacturing the sample based on the simulation results, experimental tests of modal analysis, impact test and impedance analysis were performed to evaluate the performance characteristics of the ultrasonic radiator. In order to verify the accuracy, the simulation results, including the resonance frequency and position of the node and anti-node, were compared with the experimental test results. The results of the experimental tests to determine the resonance frequency and compare it with the simulation results (error less than 0.5%), indicate the accuracy of the prediction of the results and the matching of the resonance frequency with the designed nominal value. Also, the disturbing mode shapes were at an acceptable distance from the main flexural mode shape of the radiator. Finally, the vibration amplitude measurement test results show that the position of the node and anti-node points in the experimental test match with the finite element simulation results.

    Keywords: Ultrasonic radiator, Ultrasonic vibrations, Finite Elements Simulation, Resonance frequency, Vibration Amplitude