فهرست مطالب

روش های عددی در مهندسی - سال چهل و سوم شماره 1 (بهار 1403)

نشریه روش های عددی در مهندسی
سال چهل و سوم شماره 1 (بهار 1403)

  • تاریخ انتشار: 1403/05/01
  • تعداد عناوین: 7
|
  • نورالله مجیدی، سید مهدی زندی*، حسین تاجمیر ریاحی صفحات 1-40

    تبدیل موجک به عنوان ابزاری پیشرفته برای تحلیل فرکانسی امواج، کاربردهای متنوعی در شاخه های مختلف مهندسی دارد. مشخصه ی اصلی تبدیل موجک نسبت به ابزار سنتی تر تحلیل فرکانسی نظیر تبدیل فوریه، توانایی زمان- فرکانسی بودن آن است. به عبارت دیگر با استفاده از تبدیل موجک می توان زمان وقوع فرکانس های مختلف را در امواج پایا و ناپایا به دست آورد. در دو دهه ی اخیر استفاده از این ابزار در مهندسی سازه و زلزله نیز بسیار گسترش یافته است. می توان گفت که از این ابزار در مهندسی سازه و زلزله در سه شاخه ی اصلی تحلیل فرکانسی امواج زلزله، تشخیص آسیب و نویززدایی بهره برده می شود. در این نوشتار ابتدا تئوری موجک به صورتی مرتبط با مهندسی سازه و زلزله تشریح می شود. سپس در گام بعدی مطالعات مهم انجام شده در هر یک از حوزه های ذکر شده به تفکیک ارائه شده است.

    کلیدواژگان: تبدیل موجک، توابع موجک مادر، هزینه محاسبات، کاهش نمونه برداری، تحلیل دینامیکی
  • محمود آلفونه*، بهروز کشته گر صفحات 41-67

    از آنجایی که بهینه سازی توپولوژی قطعی یا به اختصار بهینه سازی توپولوژی (TO) عدم قطعیت در سازه شامل مواد، بارگذاری و ابعاد هندسی را در نظر نمی گیرد، ممکن است به یک طراحی بهینه با کمترین حالت اعتماد و ایمنی منجر شود. برای رفع این مشکل از بهینه سازی توپولوژی مبتنی بر قابلیت اطمینان (RBTO) استفاده می شود که در حقیقت ترکیب روش های بهینه سازی توپولوژی با روش های طراحی مبتنی بر قابلیت اطمینان (RBDO) بر اساس یک چارچوب و فرایند ریاضی است. در این مقاله با به کارگیری چهار روش بهینه سازی توپولوژی شامل: آستانه سطح ایزو پویا (MIST) ، روش SIMP، روش تکاملی بهینه سازی سازه ای- اجزای محدود توسعه یافته (XFEM-ESO) و تنظیم سطح (LS) و با درنظرگرفتن یک قید یا تابع هدف به روش دوبخشی یک کسر حجمی (Vf) بهینه برای بهینه سازی توپولوژی به دست می آید. سپس به کمک کسر حجمی متوسط (Vf)، بهینه سازی توپولوژی انجام گرفته و نتایج بهینه آن توسط روش پیشرفته تحلیل قابلیت اطمینان مقدار متوسط شتاب دهنده پویا (ADMV) و با درنظرگرفتن عدم قطعیت ها و انحراف معیار جهت استخراج محتمل ترین نقاط احتمال (MPP) مورد استفاده قرار می گیرد. با داشتن محتمل ترین نقطه احتمال و قید، الگوریتم دوبخشی مجدد مورد استفاده قرار گرفته و کسر حجمی بهینه برای مدل بهینه سازی توپولوژی مبتنی بر قابلیت اطمینان و درنتیجه شکل بهینه روش بهینه سازی توپولوژی مبتنی بر قابلیت اطمینان به دست می آید. مثال های متعددی برای اعتبارسنجی و تایید قابلیت بهینه سازی روش بهینه سازی توپولوژی مبتنی بر قابلیت اطمینان با یک سازه مدل و روش های ذکر شده بهینه سازی توپولوژی ارائه می شوند و نتایج با هم مقایسه می شوند. نتایج نشان می دهند که ترکیب روش های طراحی مبتنی بر قابلیت اطمینان و بهینه سازی توپولوژی می تواند به سازه های مستحکم، پایدار، ایمن و مطمئن کاملا متفاوت از نتایج بهینه سازی توپولوژی منجر شود.

    کلیدواژگان: بهینه سازی توپولوژی قطعی، بهینه سازی توپولوژی مبتنی بر قابلیت اطمینان، روش دوبخشی، بهینه سازی توپولوژی MIST، روش بهینه سازی توپولوژی SIMP، روش تنظیم سطح، روش تکاملی بهینه سازی سازه ای - اجزای محدود توسعه یافته
  • محمد نجار* صفحات 69-101

    در فرایند حل عددی معادلات دیفرانسیل، درون یابی توابع هدف حساس ترین بخش محاسبات است که بر سرعت و دقت محاسبات تاثیرگذار است. این مقاله با هدف نگرش جامع بر انواع الگوریتم های درون یابی و بررسی سیر تاریخی ابداع و تکامل آن ها به رشته تحریر در آمده است. در این تحقیق روش های درون یابی بر حسب نوع نمایش جبری آن ها دسته بندی شده اند و الگوریتم های زیر مجموعه هر دسته به طور مجزا مورد کنکاش قرار گرفته اند. فرایند اجرایی و نحوه انجام محاسبات هر کدام از روش ها به اختصار بیان شده است و خواننده جهت مطالعات مفصل و تکمیلی درباره هر کدام از روش ها به منابع مرتبط با آن رهنمون شده است. سابقه استفاده از هر روش در علوم کاربردی هم مورد توجه و بررسی قرار گرفته است و قدرت محاسباتی، پایداری عددی و نرخ همگرایی روش ها بر اساس همین سوابق کاربردی بیان شده اند.

    کلیدواژگان: روش های عددی
  • حسین عباسی، امیر رضایی صامتی* صفحات 103-118
    ورق های آلومینیومی با توجه به خواص ویژه خود از جمله چگالی پایین و شکل پذیری بالا دارای کاربردهای متنوع در صنایع مختلف هستند. با توجه به پیشرفت های صورت گرفته در زمینه ساخت ورق های آلومینیومی، در حال حاضر امکان تولید این قطعات با ضخامت های بسیار پایین حتی در مقیاس نانو فراهم شده است. از این رو در این پژوهش به بررسی رفتار مکانیکی این مواد با استفاده از شبیه سازی عددی بر مبنای روش دینامیک مولکولی پرداخته می شود. با توجه به واکنش پذیری بالای آلومینیوم در مجاورت اکسیژن، مدل سازی اولیه بر اساس مدل هسته فلزی و پوسته اکسید فلزی صورت می پذیرد که در آن امکان بررسی تاثیر ضخامت های مختلف لایه اکسید سطحی بر رفتار مکانیکی ورق های نازک آلومینیومی امکان پذیر است. پس از ایجاد ساختار اولیه، نمونه ها تحت شرایط محیطی پایدارسازی شده و انرژی آن ها کمینه سازی می شود. به منظور بررسی رفتار مکانیکی، نمونه ها تحت آزمون های مختلف مکانیکی ارزیابی شده و پارامترهای مختلف مکانیکی آن ها از جمله مدول یانگ، مدول بالک، مدول برشی و درایه های مختلف ماتریس خواص ماده در دماهای مختلف اندازه گیری می شود. دقت مدل سازی های صورت گرفته از شبیه سازی عددی با نتایج آزمایشگاهی موجود صحت سنجی می شود. بر اساس نتایج عددی، روابطی تحلیلی برای تعیین پارامترهای مختلف مکانیکی ورق های نازک آلومینیومی با ضخامت های مختلف از لایه اکسیداسیون سطحی در دماهای مختلف ارائه شد. مقایسه روابط تحلیلی به دست آمده با داده های آزمایشگاهی، بیانگر دقت مناسب آن ها و همچنین قابلیت تعمیم پذیری روابط حاصل به ورق های آلومینیومی با ابعاد میکرو و ماکرو است.
    کلیدواژگان: ورق های نازک آلومینیوم، پارامترهای مکانیکی، روش دینامیک مولکولی، اثرات دما، تاثیر ضخامت لایه اکسید
  • آرزو حاج رحیمی، نسرین جعفری*، سعید صرامی صفحات 119-135
    ورق های ساندویچی به عنوان اعضای سازه ای، به علت وزن مخصوص پایین، مقاومت در برابر خستگی و نیز مقاومت خمشی بالا در سازه های صنعتی و پروژه های بزرگ عمرانی مورد توجه بسیار قرار گرفته اند. از آنجا که سازه های صنعتی معمولا تحت بارهای دینامیکی قرار می گیرند، لرزش صفحات می تواند منجر به آسیب سازه ها شود به ویژه وقتی فرکانس تحریک نزدیک به فرکانس طبیعی سازه باشد. بنابراین تحلیل ارتعاش غیرخطی ورق های ساندویچی یکی از موضوعات پر کاربرد در دینامیک سازه ها به شمار می رود. در این مقاله ارتعاش آزاد غیرخطی ورق های ساندویچی با هسته ویسکوالاستیک بر اساس فرضیات ون کارمن و با استفاده از تئوری برشی مرتبه اول مورد مطالعه قرار می گیرد. خواص ویسکوالاستیک هسته ی ورق از قانون انتگرال بولتزمن پیروی می کند. همچنین از تبدیل لاپلاس برای تبدیل معادلات از حوزه زمان به دامنه لاپلاس استفاده می شود. برای گسسته سازی معادلات از روش عددی نوار محدود استفاده می شود. در نهایت با حل عددی مسئله ای مقدار ویژه در حوزه لاپلاس کارسون فرکانس های غیرخطی ورق های ساندویچی با هسته ویسکوالاستیک با دامنه های ارتعاش متفاوت محاسبه می شوند. نتایج نشان می دهد که با افزایش دامته ارتعاش و ضرایب تابع آسودگی هسته ویسکوالاستیک نسبت فرکانس های غیرخطی در این گونه از ورق ها کاهش می یابد.
    کلیدواژگان: ورق های ساندویچی، هسته ویسکوالاستیک، روش نوار محدود، ارتعاش آزاد غیرخطی، انتگرال بولتزمن، فرضیات ون کارمن، تئوری برشی مرتبه اول
  • رضا طلوعی، مهسا خرازی* صفحات 137-152
    پیشنهاد و توسعه ی الگوریتم های انتگرال گیری زمانی در پلاستیسیته مبتنی بر هایپرالاستیسیته یا هایپرالاستوپلاستیسیته به دلیل پیچیدگی های موجود مانند عینیت همواره مورد توجه پژوهشگران بوده است. با تجزیه ی تانسور گرادیان تغییر شکل به صورت ضربی، علاوه بر هیات های اولیه و کنونی یک هیات محلی به نام هیات میانی یا پلاستیک به وجود می آید که با به کارگیری آن برای انتگرال گیری های زمانی، نیازی به بررسی تاثیر چرخش های صلب در هیات کنونی نیست و عینیت تنش کوشی با وجود محاسبه آن از پارامترهای موجود در هیات میانی، نیاز به بررسی ندارد. همچنین با تجزیه ضربی تانسور گرادیان تغییر شکل پلاستیک می توان برای سخت شوندگی سینماتیک معادلات را به گونه ای استخراج کرد که نیازی به بررسی عینیت نباشد. بنابراین در این مقاله، الگوریتم ارائه شده برای مدل سطح سابلودینگ بر اساس هیات میانی با اعمال تغییراتی برای مدل فون میزز ارائه شده است. علت استفاده از مدل فون میزز سادگی این مدل نسبت به مدل سطح سابلودینگ و پرکاربرد بودن این مدل در مسائل کاربردی است. همچنین به لحاظ پیاده سازی عددی، مدل سطح سابلودینگ نسبت به مدل فون میزز دارای پیچیدگی های بیشتری است. بر این اساس، مسئله تغییر شکل برش ساده در کرنش های الاستیک کوچک و بزرگ با سخت شوندگی های همسانگرد، سینماتیک و ترکیبی در پلاستیسیته بررسی شده و نتایج به دست آمده از الگوریتم انتگرال گیری زمانی پیشنهادی با داده های آزمایشگاهی و نتایج مراجع متفاوت مورد مقایسه قرار گرفته اند. مقایسه نتایج و داده های موجود نشان می دهد که تطابق قابل قبولی بین نتایج وجود دارد و استفاده از این مدل در مسائل کاربردی می تواند مورد توجه قرار گیرد.
    کلیدواژگان: پلاستیسیته مبتنی بر هایپرالاستیک، عینیت، الگوریتم انتگرال گیری زمانی، تغییر شکل برش ساده
  • بابک روشنی، احمدرضا رحمتی* صفحات 153-171
    در کار حاضر رسوب میکروذرات برای جریان در کانال با مانع بیضوی با مساحت ثابت اما با ضریب شکل های متفاوت بررسی شده است. شبیه سازی عددی به روش شبکه بولتزمن به همراه روش لاگرانژی برای مسیریابی ذرات انجام شده است. مدل شبکه ی استفاده شده در کار حاضر مدل دو بعدی و 9 سرعته،9Q2D، است. از شرط مرزی منحنی شکل برای مرز موانع استفاده شده است. ذرات با شرایط استاندارد در ورودی کانال تزریق شده اند. گرانش، نیروی دراگ، نیروی براونی و نیروی لیفت سافمن در معادله حرکت ذرات در نظر گرفته شده است. پارامتر هندسی نسبت اقطار مانع که به عنوان ضریب شکل در نظر گرفته می شود با پارامترهای جریان مانند عدد رینولدز برای رسوب و پراکندگی ذرات در نظر گرفته شده اند. نتایج مورد نظر برای هر دو متغیر ضریب شکل و عدد رینولدز با 8 ضریب شکل و 5 عدد رینولدز مختلف بررسی شده اند. نتایج نشان از تاثیر ضریب شکل بر روی جریان سیال با ممانعت از عبور جریان و تغییر در نوع جریان دارد. این تغییر در اعداد رینولدز مختلف نیز قابل مشاهده است. همچنین تغییر ضریب شکل با تغییر در نوع جریان و مکانیزم های رسوب باعث تغییر در نیروهای وارده بر ذرات و رسوب ذرات می شود. به طور کلی تاثیر متغیرهای مورد نظر با تعداد ذرات رسوب شده تفسیر شده است.
    کلیدواژگان: روش شبکه بولتزمن، مسیریابی ذرات، مکانیزم رسوب، ضریب شکل
|
  • Noorollah Majidi, Mahdi Zandi *, Hossein Tajmir Riahi Pages 1-40

    Wavelet transform, as an advanced tool for frequency analysis of waves, has various applications in different fields of engineering. The main characteristic of the wavelet transform, compared to more traditional frequency analysis tools such as the Fourier transform, is its ability to be time-frequency. In other words, by using the wavelet transform, it is possible to obtain the occurrence time of different frequencies in stable and unstable waves. In the last two decades, the use of this tool in structural and earthquake engineering has also extensively expanded. It can be said that this tool is used in structural and earthquake engineering in three main categories of frequency analysis of earthquake waves, damage detection and de-noising. In this article, wavelet theory is first explained in a way related to structural engineering and earthquakes. Then, in the next step, the important studies conducted in each of the mentioned fields are presented separately

    Keywords: Wavelet Transform, Mother Wavelet Functions, Computational Costs, Down-Sampling, Dynamic Analysis
  • Mahmoud Alfouneh *, Behrouz Keshtegar Pages 41-67

    Since deterministic topology optimization (TO) does not consider the uncertainties in the structure, including materials, loading and geometric dimensions, it may provide the optimal designs with the lowest state of reliability and safety. To  solve this problem, reliability-based topology optimization (RBTO) is used, which is actually a combination of TO methods with reliability-based design methods (RBDO) based on a mathematical framework and process. In this article, by considering four TO methods including moving iso-surface threshold (MIST), SIMP, evolutionary structural optimization-extended finite element (XFEM-ESO) and level-set (LS), and considering a constraint or objective function, an optimal volume fraction (Vf) is obtained for TO by the bisection method. Then, with the aid of mean volume fraction, TO is performed and its optimized results are applied by an advanced reliability analysis method, i.e. accelerated dynamical mean value (ADMV), taking into account the uncertainties and their standard deviations to extract the most probable probability point (MPP). Having the MPP and the constraint, the bisection algorithm is used again and the optimized volume fraction for the RBTO model, and thereby the optimal layout for the RBTO solution, is achieved. Several examples are presented to validate and highlight the optimization capability of the RBTO method using a structural model and the mentioned TO methods, and the results are compared together. Based on the results, it is shown that the combination of RBDO and TO approach is able to result in powerful, stable, safe, and reliable structures completely different from the TO results.

    Keywords: Deterministic Topology Optimization, Reliability-Based Topology Optimization, Bisection Method, MIST Method, Level-Set Method, SIMP, XFEM-ESO Method
  • Mohamad Najar * Pages 69-101

    Interpolation and approximation are the most important parts of partial differential equation solution procedures, which significantly affect the cost and the accuracy of the results. This paper is aimed to exhaustively investigate the interpolation algorithms and trace their chronologically developments. The interpolation methods are classified based on their mathematical representation, and then surveyed separately. An abridgement of calculation steps of methods are presented and for details, the reader is referred by the main references. The usage records in applied science and engineering are included and their numerical dominance, stability and convergence rate are discussed.

    Keywords: Numerical Methods, Interpolation, Approximation, Meshless Methods
  • Hossein Abbasi, Amir Rezaei Sameti * Pages 103-118
    Thin aluminum films have various applications in different industries because of their special properties, including low density and high ductility. Due to the progress in the manufacturing process, it is now possible to produce ultra-thin aluminum films with very low thickness, even on the nanoscale. This paper aims to numerically investigate the mechanical behavior of ultra-thin aluminum films using the molecular dynamics (MD) method. Because of the high reactivity of aluminum in the vicinity of oxygen, the representative volume elements (RVEs) of the aluminum film are simulated based on the aluminum core-alumina shell model to study the effect of different thicknesses of the surface oxide layer. In order to stabilize the atomistic RVEs under environmental conditions, the relaxation process is applied, and the total energy of the system is minimized. Then, the relaxed configuration of RVEs is analyzed under different mechanical tests, and their different mechanical parameters such as Young's modulus, bulk modulus, shear modulus, and different material characteristics are calculated at different temperatures. The accuracy of the numerical simulations is validated by comparing the results with the experimental data. Based on the MD results, analytical relations are presented to determine the different mechanical parameters of thin aluminum films as a function of the oxide layer thickness and ambient temperature. Comparison of the proposed analytical relations with the experimental data, demonstrates their capability and generalizability for the micro- and macro-size aluminum sheets.
    Keywords: Thin Aluminum Films, Mechanical Parameters, Molecular Dynamics Method, Effects Of Temperature, Oxide Layer Thickness
  • Arezoo Hajrahimi, Nasrin Jafari *, Saeed Sarrami Pages 119-135
    Sandwich plates as structural members, have received a lot of attention in industrial structures and large construction projects due to their low specific weight, resistance to fatigue and high bending strength. Since Industrial structures are commonly reposed to dynamic loads, plate vibration can result in injury to structures, especially when the excitation frequency is close to the natural frequency of the structure. Therefore, nonlinear vibration analysis of plates is one of the most attended topics in the dynamics of structures. In this article, the nonlinear free vibration of sandwich plates with a viscoelastic core is studied based on von Karman's assumptions and using the First-order shear deformation theory. The viscoelastic properties of the plate core follow Boltzmann's integral law. Also, the Laplace transform is used to convert equations from the time domain to the Laplace domain. For the discretization of the equations, the finite strip numerical method is used. Finally, by numerically solving an eigenvalue problem in the Laplace-Carson domain, the nonlinear frequencies of sandwich plates with a viscoelastic core with different vibration amplitudes are calculated. The results show that, with the increase of the vibration amplitude and the coefficients of the relaxation function of the viscoelastic core, the ratio of the nonlinear frequencies decreases in this type of plates.
    Keywords: Sandwich Plates, Viscoelastic Core, Finite Strip Method, Nonlinear Free Vibration, Boltzmann's Integral, Von Karman's Assumptions, First-Order Shear Deformation Theory
  • Reza Toluei, Mahsa Kharazi * Pages 137-152
    TThe proposal and development of time integration algorithms in hyperelastic-based plasticity or hyperelastoplasticity, are consistently required due to complex issues such as objectivity. Through the multiplicative decomposition of the deformation gradient tensor, a local configuration known as the intermediate or plastic configuration is generated alongside the reference and the current configurations. Utilizing the intermediate configuration for time integrations eliminates the need to analyze the impact of rigid rotations in the current configuration. Moreover, as the Cauchy stress is derived from parameters in the intermediate configuration, there is no necessity to assess its objectivity. By employing the multiplicative decomposition of the gradient tensor of plastic deformation, equations for kinematic hardening can be derived, eliminating the need to verify objectivity. Therefore, in this article, the algorithm for the subloading surface model, based on the intermediate configuration, is derived by adapting the von Mises model. The rationale behind employing the von Mises model lies in its simplicity compared to the subloading surface model, along with its widespread usage. Additionally, in numerical implementation, the subloading surface model is more complex than the von Mises model. Building upon this, the problem of simple shear deformation with small and large elastic strains, incorporating isotropic, kinematic, and combined hardening in plasticity, has been investigated. The obtained results have been compared with the experimental data and findings from various references. The comparison between the results presented in this article and the available data indicates agreement, suggesting the viability of employing this model in practical applications.
    Keywords: Hyperelastic-Based Plasticity, Objectivity, Time Integration Algorithm, Simple Shear Deformation
  • Babak Roshani, Ahmadreza Rahmati * Pages 153-171
    In the current study, transportation of the microparticles deposition through a channel has been investigated where elliptical obstacle with constant cross sectional area but different shape factors was assumed in the channel. Numerical simulation was conducted using lattice Boltzmann method, and Lagrange method was used for particle tracking. A two-dimensional and nine-velocity model was used as the network model. A curved boundary condition was applied for the obstacle boundaries. In the designed model, particles at standard condition were injected at the inlet of the channel. Gravity force, drag force, Brownian force and Soffman lift force were applied in the motion equation of the particles. The effect of shape factor as a geometrical parameter, which was defined as the ratio of the diameters of elliptical obstacle, and the flow parameters such as Reynolds’ number was examined on the particle deposition and particle scattering. Results were examined at eight different shape factors and five different Reynolds numbers .Results revealed that the change in the shape factor varies the effect of the obstacle in the flowing stream, and also changes the flow regime. This variation was obtained at different Reynolds numbers. Furthermore, changes of the shape factor associated with variations in the flow regime and deposition mechanisms, changes the forces exerted on the particles. Generally, the effect of the mentioned parameters can be interpreted based on the number of the precipitated particles.
    Keywords: Lattice Boltzmann Method, Particle Tracking, Deposition Mechanism, Shape Factor