فهرست مطالب

روش های عددی در مهندسی - سال چهل و دوم شماره 2 (زمستان 1402)

نشریه روش های عددی در مهندسی
سال چهل و دوم شماره 2 (زمستان 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/12/15
  • تعداد عناوین: 7
|
  • امید علیزاده، سهیل محمدی* صفحات 1-49

    مدلسازی مسایل ترک و ناپیوستگی اهمیت بسزایی در صنایع مختلف دارد و از دیرباز مورد توجه بوده است. مدلسازی رفتار ترک در مقیاس های مختلف بویژه مقیاس های اتمی می تواند باعث شناخته شدن بهتر رفتار ریز ساختار ماده و پیش بینی رفتار آن در مقیاس های بزرگتر گردد. از سوی دیگر مدلسازی مبتنی بر مقیاس های اتمی بدلیل بیشتر بودن تعداد درجات آزادی نیاز به صرف هزینه محاسباتی بسیار زیادی در مقایسه با سایر روش ها دارد. مجموعه روش های چندمقیاسی همزمان برای حل این مشکلات بوجود آمده اند و به عنوان تکنیک های قابل پذیرش برای مدلسازی ناپیوستگی در دهه های اخیر مورد استقبال محققین قرار گرفته است. مطالعات نشان می دهد روش های چندمقیاسی همزمان توانسته اند کلیه رفتارهای ریز مقیاس در مقابل تحریک های مکانیکی را شبیه سازی نمایند و ضمن دستیابی به تطابق مناسبی با مدل های آزمایشگاهی، ارتباط پیوسته با مقیاس های بزرگتر را برقرار کنند. در مطالعه حاضر، روش های چندمقیاسی همزمان همگن سازی و دامنه مجزا که در طول چند دهه گذشته در مدلسازی مسایل ناپیوستگی مورد استفاده قرار گرفته اند بررسی شده اند. جهت ایجاد زمینه مناسب برای مقایسه روش های توسعه داده شده در طول چد دهه گذشته، مسیله گسترش ترک لبه بازطراحی و مدلسازی شده است و نتایج حاصل از شبیه سازی و دقت محاسباتی مهم ترین روش ها با یکدیگر مقایسه شده اند.

    کلیدواژگان: روش های چندمقیاسی همزمان، همگن سازی، روش های دامنه مجزا، ناپیوستگی
  • کاوه میرزاپور، حمید محرمی* صفحات 51-67
    در مقاله حاضر یک روش جدید برای بهینه سازی توپولوژی خرپاها ارایه می شود. این روش از رابطه تعادل در فرمولبندی روش نرمی در تحلیل سازه ها استفاده می کند. با اعمال تغییراتی روی رابطه نیروهای داخلی و خارجی، فضایی برای بهینه سازی سازه های خرپایی بوجود آورده می شود که متکی بر محدودیت تنش و نیروی داخلی اعضاء است. در ابتدا با در نظر گرفتن قید تنش که بر مسیله اعمال می شود، بهینه سازی توپولوژی خرپا در قالب یک مسیله برنامه ریزی خطی (LP) به انجام می رسد. راه حل مسیله برنامه ریزی خطی ساده است و منجر به بهینه سراسری می شود.با اعمال محدودیت جابجایی بهینه سازی توپولوژی به یک مسیله بهینه سازی غیرخطی تبدیل می شود. برای تبدیل مسیله برنامه ریزی غیرخطی به یک مسیله برنامه ریزی خطی، از متغیرهای طراحی گسسته استفاده می شود و مسیله بهینه سازی توپولوژی به مسیله برنامه ریزی اعداد صحیح دودویی (صفر و یک) تبدیل می گردد. مثال های متعددی حل شده اند و با نمونه های منتشر شده در مقالات پیشین مقایسه گشته اند. با حل مسایل مطرح شده مشاهده می شود که روش ارایه شده در این تحقیق برای بهینه سازی توپولوژی خرپا منجر به نتایجی بهتر و در بعضی از موارد، مشابه نتایج تحقیقات قبلی اما با محاسبات کمتر می شود. با این وجود، ثابت شده است که نتایج بدست آمده در این مقاله بهینه سراسری هستند در حالی که روش های بکار رفته در تحقیقات پیشین نمی توانند بهینگی سراسری خود را اثبات کنند.
    کلیدواژگان: بهینه سازی توپولوژی خرپا، برنامه ریزی خطی، قید تنش، قید جابجایی، برنامه ریزی اعداد صحیح صفر و یک
  • امیر حسین یوسفی، حسین امیر آبادی، فرهاد کیانی* صفحات 69-86
    در این مقاله یک حل نیمه تحلیلی برای مطالعه ی ارتعاشات آزاد پوسته های مخروطی کامپوزیتی سه فازی تقویت شده با نانوپلاکت های گرافنی1 و الیاف شیشه ای، مستقر بر یک بستر الاستیک ارایه می شود. پوسته ی مخروطی بر اساس تیوری تغییرشکل برشی مرتبه اول2 مدل سازی می گردد و رفتار بستر الاستیک که پوسته را احاطه کرده است بر اساس مدل پاسترناک3 تخمین زده می شود. به منظور محاسبه خواص مکانیکی موثر ساختار سه فازی پلیمر-نانوپلاکت گرافنی-الیاف در کنار قانون اختلاط از مدل هالپین- تسای4 و روابط میکرومکانیکی استفاده می شود. معادلات حاکم و شرایط مرزی متناظر با بهره گیری از اصل هامیلتون5 استخراج می شوند، پس از ارایه ی یک حل دقیق در راستای پیرامونی پوسته با استفاده از توابع مثلثاتی مناسب، یک حل تقریبی در راستای طولی پوسته با استفاده از روش مربعات دیفرانسیلی6 ارایه می شود. فرکانس های طبیعی پوسته در مودهای ارتعاشی گوناگون و شکل مودهای متناظر برای شرایط مرزی مختلف شامل ترکیبات مختلفی از لبه های گیردار، ساده و آزاد در دو لبه ی پوسته استخراج می شوند. پس از تایید همگرایی حل عددی انجام شده در راستای طولی و سنجش میزان اعتبار نتایج ارایه شده، تاثیر مشخصات گوناگون بر روی فرکانس های طبیعی مورد بررسی قرار می گیرد که از آن جمله می توان به عدد موج پیرامونی، زاویه نیم راس مخروط، کسر جرمی الیاف، کسر جرمی نانوپلاکت های گرافنی و شرایط مرزی در دو لبه ی پوسته اشاره نمود.
    کلیدواژگان: ارتعاشات آزاد، ساختارهای سه فازی، پوسته ی مخروطی ناقص، نانوپلاکت های گرافنی، بستر پاسترناک
  • مسعود حمیدی فرد، فرزاد شهابیان*، محمد حسین قدیری راد صفحات 87-108
    در این پژوهش از روش بدون شبکه پتروف-گلرکین محلی احتمال اندیشانه برای تحلیل دینامیکی سازه های استوانه ای چندلایه ساخته شده از مواد متخلخل کاملا اشباع با درنظرگرفتن عدم قطعیت در خواص مکانیکی استفاده شده است. فرض شده است که سازه استوانه ای چندلایه متخلخل تحت بار ضربه ای باشد. برای تقریب تابع های میدان در روش بدون شبکه، از توابع پایه شعاعی استفاده شده است. از شبیه سازی مونت کارلو برای تحلیل احتمال اندیشانه با درنظرگرفتن عدم قطعیت در خواص مکانیکی استفاده شده است. متغیرهای تصادفی مختلف با تابع های چگالی احتمال نرمال، لگ نرمال و یکنواخت با ضرایب پراکندگی مختلف، شبیه سازی می شوند. در نظر گرفتن اثر میرایی در مدل سازی تحلیل های دینامیکی امری اجتناب ناپذیر است. از این رو در ادامه پژوهش، تاثیر میرایی در مقدار تغییرمکان و تنش ایجادشده در سازه های متخلخل چندلایه مورد تحلیل و بررسی قرار گرفت. نتایج بدست آمده از تحلیل احتمالاتی با نتایج حاصل از تحلیل با درنظرگرفتن خصوصیات مکانیکی قطعی مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد که عدم قطعیت در خصوصیات مکانیکی تاثیر مهمی بر پاسخ های سازه ای به ویژه برای مقادیر بزرگ ضریب پراکندگی دارد.
    کلیدواژگان: تحلیل دینامیکی احتمال اندیشانه، سازه های استوانه ای چندلایه، مواد متخلخل اشباع، روش بدون شبکه پروف-گلرکین محلی
  • پدرام ناصحی، احمد آذری* صفحات 109-128
    در این تحقیق، تاثیر تغییرات سرعت چرخش پروانه راشتون درون بیورآکتور به منظور پخش مناسب هوا، بررسی نرخ کرنش برشی، شبیه سازی و بررسی شد. شبیه سازی انجام شده با رویکرد چند فازی، مدل فاز پراکنده صفر معادله، با کمک مدل اغتشاش K-Epsilon Standard، به صورت پایا و سه بعدی توسط مجموعه نرم افزاری ANSYS Products ورژن R3 2019 و نرم افزار Ansys CFX انجام گرفت. معادلات حاکم بر سیستم با روش حجم محدود برای کل سیستم محاسبه شد. به منظور تزریق مناسب هوا به درون بیورآکتور، از یک حلقه حباب ساز که در زیر پروانه قرار گرفته است، استفاده شد. نتایج به دست آمده نشان داد که افزایش سرعت چرخش پروانه می تواند به پخش بهتر هوا درون بیورآکتور کمک کند؛ اما از طرفی موجب افزایش نرخ کرنش برشی درون بیورآکتور می شود. همچنین، افزایش سرعت چرخش پروانه بیش از 150 دور بر دقیقه موجب افزایش اغتشاش در مایع شده و تاثیرات آن روی فاز گاز کاهش می یابد. علاوه بر این، با در نظر گرفتن سرعت چرخش پروانه و تاثیر آن بر روی میزان اختلاط فاز گاز و مایع، تنش درون مایع و نرخ متوسط انتقال جرم، می توان سرعت 350 تا 450 دور بر دقیقه را برای سرعت بهینه در نظر گرفت. در نهایت، مشخص شد که با افزایش سرعت چرخش پروانه نمی توان به اختلاط بهتر در بیورآکتور رسید و می بایست سرعت بهینه را مشخص کرد.
    کلیدواژگان: دینامیک سیالات محاسباتی، بیورآکتور، پروانه راشتون، بیورآکتور گاز-مایع، مدل اغتشاش K-Epsilon
  • ابوذر طاهری زاده*، حسین مانی، محمد سیلانی صفحات 129-147
    جوشکاری اصطکاکی دورانی یکی از روش های مهم اتصال قطعات مختلف جهت استفاده در صنایع پیشرفته به شمار می رود. با توجه به مشکلات اندازه گیری متغیرها در حین آزمون عملی و به منظور کاهش هزینه ها، استفاده از روش های شبیه سازی عددی یک امکان بسیار موثر در تحقیقات علمی به شمار می رود. در این مقاله روش شبیه سازی عددی اجزای محدود برای شبیه سازی پیوسته مکانیکی-حرارتی و سپس معادلات مشخصه برای شبیه سازی ریزساختاری اتصال دو لوله مشابه از جنس آلیاژ اینکونل 718 به روش جوشکاری اصطکاکی دورانی مورد استفاده قرار گرفت. ابتدا با انجام شبیه سازی عددی مکانیکی-حرارتی پارامترهای مهم موثر بر تحولات متالورژیکی مثل توزیع دما، تنش و کرنش بدست آمد و سپس تحولات ریزساختاری مانند کسر حجمی تبلور مجدد و اندازه دانه ساختار نهایی محاسبه و به منظور صحت سنجی با نتایج آزمون عملی مقایسه شد. در شبیه سازی ریزساختاری با بهره گیری از الگوی جانسون-آورامی و زیرروال نویسی این الگو به زبان فرترن، خروجی های حاصل از حل مکانیکی-حرارتی به متغیرهای متالورژیکی تبدیل شدند. با استفاده از این الگو ضخامت ناحیه متاثر از تبلور مجدد برای مرکز و دیواره ضخامت لوله به ترتیب 480 و850 میکرومتر در شبیه سازی محاسبه شد. این مقادیر در آزمون عملی به ترتیب 500 و800 میکرومتر گزارش شدند. همچنین تغییرات اندازه دانه از مرکز لوله و مجاور فصل مشترک جوش تا دیواره لوله درشبیه سازی از 07/2 تا 15/2 میکرومتر پیش بینی شد که این روند در آزمون عملی از 9/1 تا 2/2 میکرومتر گزارش شده بود. نهایتا در این مقاله تلاش شد تا با رسم منحنی های مختلف ارتباط بین متغیرهای مکانیکی-حرارتی و ریزساختاری بررسی و نتایج قابل انتظاری از توزیع متغیرهای ریزساختاری با تغییر متغیرهای مکانیکی-حرارتی حاصل گردد.
    کلیدواژگان: جوشکاری اصطکاکی دورانی، شبیه سازی اجزای محدود، اینکونل718، شبیه سازی ریزساختاری، الگوی جانسون آورامی، زیرروال نویسی
  • احمدرضا رحمتی*، عباس ملایی صفحات 149-166
    میدان مغناطیسی قوی، روش جدیدی برای انتقال حرارت با شار حرارتی بالا ارایه می دهد. یک شبیه سازی عددی برای یک چاه حرارتی با شار حرارتی بالا تحت یک میدان مغناطیسی یکنواخت خارجی در سه جهت متفاوت برای بررسی میدان جریان و انتقال حرارت جابه جایی بین فلز مایع و سطوح گرم استفاده شده است. به دلیل بالا بودن چگالی و ضریب رسانش حرارتی و الکتریکی فلز مایع گالینستن، به عنوان سیال کار استفاده شده است. حذف گسسته سازی معادلات ناویر استوکس به روش حجم محدود مرتبه دوم بالادست انجام شده است. نتایج نشان می دهد اثر اعمال میدان مغناطیسی در جهت Y و Z (عمود بر محور جریان) به چاه حرارتی با عدد هارتمن 88، ضریب انتقال حرارت جابه جایی را به ترتیب 15 و 8 درصد بهبود می بخشد. بهترین بازدهی جهت افزایش انتقال حرارت، با اعمال میدان مغناطیسی در جهت Y به دست آورده شد. با اعمال میدان مغناطیسی در جهت Y به چاه حرارتی، ضریب انتقال حرارت جابه جایی با عدد هارتمن 44، 11/9 درصد، عدد هارتمن 88، 15 درصد و با عدد هارتمن 132، 17/7 درصد نسبت به عدد هارتمن صفر افزایشی شده است. با اعمال میدان مغناطیسی در راستای Z به چاه حرارتی، ضریب انتقال حرارت جابه جایی با عدد هارتمن 44، 4/3 درصد، عدد هارتمن 88، 8 درصد، عدد هارتمن 132، 11/4درصد و عدد هارتمن 330، 22/1 درصد نسبت به عدد هارتمن صفر افزایشی شده است. همچنین نتایج نشان می دهد اثر اعمال میدان مغناطیسی عمود بر محور جریان سبب افزایش گرادیان سرعت شده، در نتیجه افت فشار و ضریب اصطکاک چاه حرارتی افزایشی شده اند.
    کلیدواژگان: انتقال حرارت جابه جایی اجباری، میدان مغناطیسی، فلز مایع، چاه حرارتی، میکروکانال
|
  • Omid Alizadeh, S. Mohammadi * Pages 1-49

    Modeling of crack and discontinuity related problems has had a great influence on numerous industries for a long time. Simulation of discontinuity behavior in different scales, especially in atomistic scales, can lead to better insight of the crack/discontinuity initiation and propagation phenomena and prediction of its behavior in larger scales. On the other hand, modeling based on fully refined scales requires huge computational effort compared to other methods due to the higher number of degrees of freedom. Concurrent multiscale methods have been developed to overcome the high computational cost issues of refined models, while preserving sufficient accuracy. Studies have shown that concurrent multiscale methods are capable of simulating all atomic behaviors in order to establish a compatible solution with larger scales, and to accurately resemble the laboratory results. In the present review, concurrent multiscale methods, which could be categorized into homogenization and partitioned-domain methods, are briefly investigated and compared. These methods have been widely used for modelling of cracks, discontinuities and impurities in different types of problems in the past two decades. To create a suitable basis for comparing the main concurrent methods, the problem of edge crack propagation is redesigned and modeled, and the simulation results and their computational accuracy are compared.

    Keywords: Concurrent multiscale methods, homogenization, discrete domain methods, discontinuity
  • Kaveh Mirzapour, Hamid Moharrami * Pages 51-67
    In this paper, a new method has been proposed for the topology optimization of trusses. The method takes advantage of the equation of equilibrium between internal and external forces in the flexibility method of structural analysis. The internal forces are written as the multiplication of cross-sections of members into their stresses. The stress constraints (i.e. limits on the stress values) are then imposed on the problem and eventually, the topology optimization of trusses ends up in a Linear Programming (LP) problem. The solution to the LP problem is straightforward and results in a global optimum. Accordingly, the outcome of our formulation is a global optimum.When the displacement constraints are included among the constraints, the truss topology optimization turns into a nonlinear optimization problem. To convert the problem to a linear programming problem, we used discrete design variables and converted the problem to a binary (zero-one) integer programming. Several examples were solved and compared to the published examples in the literature. It was observed that our method of truss topology optimization ends up with the same results as the previous research works, but with much less calculations. Nevertheless, our results are proved to be the global optimum, whereas the methods used in the literature cannot prove their global optimality
    Keywords: Truss Topology Optimization, Linear Programming, Stress Constraints, Displacement Constraints, Binary (Zero-One) Integer Programming
  • Amir Hossein Yousefi, Hossin Amir Abadi, Farhad Kiani * Pages 69-86
    In this paper, a semi-analytical solution is presented for the free vibration analysis of a three-phase polymer-based truncated conical shell reinforced with Graphene NanoPlatelets (GNPs) and glass fibers, embedded in an elastic foundation. The conical shell is modeled based on the First-order Shear Deformation Theory (FSDT), and the elastic foundation is modeled using the Pasternak model. The effective mechanical properties of the three-phase polymer/GNP/fiber composite are estimated utilizing the rule of mixture, Halpin-Tsai model, and the micromechanical relations. The set of the governing equations and associated boundary conditions are derived using Hamilton’s principle, and are solved analytically in the circumferential direction using trigonometric functions and numerically in the meridional direction via the Differential Quadrature Method (DQM). The natural frequencies and corresponding mode shapes are derived for various boundary conditions, including different combinations of clamped, simply supported, and free edges at both ends of the shell. Convergence of the presented numerical solution is examined, the accuracy of the presented results is confirmed, and the effects of various parameters on the natural frequencies of the shell are investigated including the circumferential wave number, semi-vertex angle of the cone, weight fraction of the fibers, weight fraction of the GNPs, and the boundary conditions.
    Keywords: Free vibration, Three-phase structures, Truncated conical shell, Graphene nanoplatelet (GNPs), Pasternak foundation
  • Masoud Hamidifard, Farzad Shahabian *, Mohammad Hosein Ghadiri Rad Pages 87-108
    The stochastic meshless local Petrov–Galerkin method is employed for dynamic analysis of multilayer cylinders made of fully saturated porous materials considering uncertainties in the constitutive mechanical properties. The multilayer porous cylinder is assumed to be under shock loading. To approximate the trial functions in the radial point interpolation method  (RPIM), the radial basis functions (RBFs) are utilized. The Monte Carlo simulation is used to generate the random fields for mechanical properties. The results are obtained for various random variables, which are simulated by uniform, normal and lognormal probability density functions with various coefficients of variation (COV), changing from 0 to 20%. The obtained results from the presented stochastic analysis are compared to those obtained from the analysis considering deterministic mechanical properties. The results show that the uncertainty in mechanical properties has a significant effect on the structural responses, especially for big values of COVs.
    Keywords: Stochastic Dynamic Analysis, Multilayer Cylindrical Structures, Saturated Porous Materials, Meshless Local Petrov-Galerkin (MLPG) Method
  • Pedram Nasehi, A. Azari * Pages 109-128
    In the present research, the effect of altering the rotational speed of the Rushton impeller inside the bioreactor was simulated and investigated for proper air distribution and changes in the shear stress rate. The simulation was performed using the multiphase approach of the zero-equation scattered phase model, via the K-Epsilon Standard perturbation model, in stable three-dimensional manner using ANSYS Products 2019 R3 and Ansys CFX software packages. The governing equations of the system were solved by the finite volume method for the entire system. To properly inject air into the bioreactor, a sparger ring was used under the impeller. The results revealed that increasing the impeller rotation speed could help better disperse the air inside the bioreactor. However, it also increases the shear stress rate inside the bioreactor. It was also shown that increasing the speed and getting more energy from it creates turbulence in the liquid. Additionally, its effect on the gas phase is reduced for the rotation speeds more than 150 rpm. Considering the rotation speed of the impeller and its effect on the mixing of gas-liquid phase, the intra-liquid stress and the average mass transfer rate, the speed of 350 to 450 rpm may be considered as the optimal speed. Finally, it was found that by increasing the rotation speed of the impeller, better mixing in the bioreactor could not be achieved and the optimal speed had to be determined.
    Keywords: Computational fluid dynamics, Bioreactor, Rushton impeller, Gas-Liquid Bioreactor, K-Epsilon model
  • Aboozar Taherizadeh *, Hossein. Mani, Mohammad Silani Pages 129-147
    Rotary friction welding is one of the most important techniques for joining different parts in advanced industries. Measuring the history of thermomechanical and microstructural parameters can be challenging and costly. To address these challenges, the finite element method was used to simulate thermomechanical and microstructural aspects of the welding of identical superalloy Inconel718 tubes. Therefore, in this research, thermomechanical and microstructural simulations were developed to calculate essential mechanical and metallurgical parameters such as temperature, strain, strain rate, volume fraction of dynamic recrystallization, and grain size distribution. Some of these parameters were then used to be verified with experimental test results. In the microstructural simulation, the Johnson-Avrami model was applied to convert thermomechanical parameters to metallurgical factors by using a FORTRAN subroutine. By employing the dynamic recrystallization kinetics model, the thickness of the recrystallization zone in the wall thickness was calculated to be 480 and 850 micrometers at the center and edge of the tube wall, respectively. These values were reported in the experimental measurements as 500 and 800 micrometers, respectively. Additionally, the grain size change from the center to the edge of the wall thickness, close to the weld interface, were predicted from 2.07 to 2.15 micrometers by simulations, which was comparable with the experimental measurements of 1.9 to 2.2 micrometers. Also, different types of curves were represented to investigate the correlation between thermomechanical and microstructural parameters. Predictable results were concluded from microstructure evolutions with changes by thermomechanical results.
    Keywords: Rotary friction welding, finite element method, Inconel718, Microstructural simulation, Johnson-Avrami model, subroutine
  • A. R. Rahmati *, A. Molaei Pages 149-166
    A strong magnetic field provides a new method of heat transfer with high heat flux. A numerical simulation for a heat sink with high heat flux under an external uniform magnetic field in three different directions is used to investigate the flow field and displacement heat transfer between liquid metal and hot surfaces. Due to its high density and large thermal and electrical conductivity coefficients, gallinsten liquid metal has been used as a working fluid. Discretization of the Navier-Stokes equations is performed by the upstream second-order finite volume method. The results show that the effect of applying a magnetic field in the Y and Z directions (perpendicular to the flow axis) on the heat sink with a Hartmann number of 88, improves the displacement heat transfer coefficient by 15% and 8%, respectively. The best efficiency in increasing the heat transfer was obtained by applying the magnetic field in the Y direction. By applying the magnetic field in the Y direction to the heat sink, the displacement heat transfer coefficient was increased by 11.9% for Hartman number of 44, 15% for Hartman number of 88, and 17.7% for Hartman number of 132, compared to zero Hartman number. By applying the magnetic field in Z direction to the heat sink, the displacement heat transfer coefficient was increased by 4.3% for Hartmann number of 44, 8% for Hartmann number of 88, 11.4% for Hartmann number of 132 and 22.1% for Hartmann number of 330, compared to Hartmann number of zero. Also, the results show that the effect of applying a magnetic field perpendicular to the flow axis has increased the velocity gradient. As a result, the pressure drop and friction coefficient of the heat sink have increased.
    Keywords: Forced convection heat transfer, magnetic field, liquid metal, Heat Sink, microchannel