فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک مدرس
سال بیست و چهارم شماره 5 (اردیبهشت 1403)

  • تاریخ انتشار: 1403/06/25
  • تعداد عناوین: 6
|
  • مصطفی دهقان منشادی، وحید اصفهانیان* صفحات 269-280

    رویکرد اصلی در بررسی ناپایداری های جریان سیال، تئوری پایداری خطی است که مبتنی بر خطی سازی معادلات حاکم و یافتن مقادیر ویژه ناپایدار است. در بسیاری از مسائل، مانند جریان های برشی، نتایج تئوری پایداری خطی با مشاهدات تجربی تطابق ندارد. در یک سیستم دینامیکی خطی حتی اگر تمام مقادیر ویژه پایدار باشند، اغتشاشات وارد بر سیستم می توانند منجر به ناپایداری شوند، به شرط آن که توابع ویژه، متعامد نباشند. ویژگی گذرای این سیستم های دینامیکی غیرنرمال علی رغم پیچیدگی، با ساختارهایی کم بعد یعنی تعداد کمی مود، قابل توصیف هستند. کنترل رشد دائمی و گذرای اغتشاشات از طریق شناسایی مودهای وابسته به زمان امکان پذیر است. در مقاله ی حاضر، یک روش کاهش مرتبه مبتنی بر مودهای بهینه وابسته به زمان پیاده سازی شده است. این روش، رفتار رشد اغتشاشات در زمان های کوتاه و طولانی را شناسایی می نماید. همچنین یک الگوریتم کنترلی بر اساس روش کاهش مرتبه فوق، به منظور کنترل رشد اغتشاشات جریان سیال، پیاده سازی شده است. حل DNS جریان و پیاده سازی الگوریتم های کاهش مرتبه و کنترلی بر پایه ی حلگر متن باز NEKTAR++ انجام شده است. در مساله ی اول به منظور اعتبارسنجی روش حل، الگوریتم کاهش مرتبه و کنترلی روی جریان عبوری از استوانه با 50=Re  پیاده سازی شده است. در ادامه، برای نخستین بار الگوریتم کنترلی برای جریان روی استوانه در معرض اغتشاشات ماندگار متغیر با زمان پیاده سازی و به ازای پارامترهای مختلف اغتشاش خارجی حساسیت سنجی شده است. نتایج نشان می دهد با اعمال نیروی کنترلی بر میدان جریان، ناپایداری های ون کارمن، پایدار شده و جریان با ضریب برآی ثابت شکل می گیرد و ارتعاشات جسم حذف می شود.

    کلیدواژگان: ناپایداری، کاهش مرتبه، کنترل جریان، مودهای بهینه ی وابسته به زمان
  • محمد سعادت بخش*، صادق صادق زاده صفحات 281-291

    سطوح فوق آب گریز به عنوان روشی اساسی جهت کاهش پسای اصطکاکی اجسام غوطه ور در آب مورد توجه زیادی قرار گرفته اند. ارزیابی دقیق و پیش بینی مقدار کاهش پسای ناشی از به کارگیری این سطوح نیازمند اندازه گیری های هزینه بر، شبیه سازی های عددی و یا توسعه مدل ها و روابط قابل اعتماد می باشد. در این مقاله یک مدل برای محاسبه ضریب اصطکاک پوسته ای و کاهش پسای سطوح تخت فوق آب گریز ارائه می شود. از داده های پیشین مربوط به ضریب اصطکاک پوسته ای سطوح تخت با شرایط مرزی عدم لغزش استفاده شده و مدلی ارائه می شود که به کمک آن بتوان کاهش پسای اصطکاکی و ضریب اصطکاک پوسته ای این سطوح را پس از اعمال پوشش های فوق آب گریز محاسبه نمود. با استفاده از شبیه سازی عددی، نتایج مدل با نتایج شبیه سازی جریان سیال روی صفحه تخت در سرعت های مختلف مقایسه شده و اعتبار مدل تایید شده است. نتایج مدل و شبیه سازی نشان دهنده آن است که در سرعت های ورودی 1، 5 و 25 متر بر ثانیه و طول لغزش 50 میکرون، کاهش پسای اصطکاکی به ترتیب 15، 41 و 77 درصد انتظار می رود. همچنین، با افزایش عدد رینولدز جریان، کاهش اصطکاک پوسته ای افزایش می یابد. مدل توسعه داده شده برای سطوح تخت اعتبارسنجی شده و توانایی آن در محاسبه ضریب اصطکاک پوسته ای و نیروی پسای این سطوح به دقت مورد بررسی قرار گرفته است. با این حال برای بررسی اعتبار مدل برای سطوح با انحنا و طول لغزش متغیر، تحقیقات بیشتری نیاز می باشد.

    کلیدواژگان: صفحه تخت، کاهش پسا، ضریب اصطکاک پوسته ای، فوق آب گریز، طول لغزش
  • مصیب نجار، رحمت الله قاجار* صفحات 293-303

    هدف از این پژوهش، بررسی تجربی جذب انرژی لوله های جدار نازک مشبک با مقطع مربعی است. دیواره های لوله ی جدار نازک به صورت مشبک با سه نوع سلول شامل آگزتیک درون رو، نیمه درون رو و لانه زنبوری معمولی از جنس فولاد زنگ نزن 304 است. هر سه نوع سلول مشبک با روش برش لیزر دوار روی لوله جدار نازک ایجاد و توسط دستگاه آزمایش یونیورسال تحت بارگذاری شبه-استاتیک با سرعت 5 میلی متر بر دقیقه به صورت محوری  فشرده می شوند. نیروی بیشینه اولیه، نیروی متوسط لهیدگی، راندمان نیروی لهیدگی، جذب انرژی و جذب انرژی ویژه به عنوان پارامترهای ارزیابی آزمون در نظر گرفته می شوند. نتایج نشان می دهد که لوله جدار نازک با ساختار آگزتیک درون رو، جذب انرژی مخصوص بیشتری نسبت به دو ساختار دیگر دارد. در این ساختار جذب انرژی ویژه 25% نسبت به ساختار لانه زنبوری معمولی بیشتر است. ساختار نیمه درون رو، جذب انرژی و نیروی متوسط بیشتری نسبت به دو ساختار دیگر دارد. مقدار راندمان نیروی لهیدگی در ساختار لانه زنبوری معمولی 85% بدست می آید که نسبت به دو ساختار دیگر بیشتر است.

    کلیدواژگان: آگزتیک، نیمه درون رو، انرژی ویژه، لوله جدار نازک، شبه-استاتیک
  • محمدمهدی عوض پور، محسن محمدی*، احمدرضا مهدوی پناه صفحات 305-315

    در دهه های اخیر، تکامل و توسعه فناوری خودروها در جهت افزایش ایمنی و امنیت برای راننده و سرنشینان خودرو نقش مهمی داشته است، یکی از فناوری های برجسته ای که به افزایش ایمنی در خودروها کمک به سزایی می کند، ترمز ضد قفل  می باشد که این سامانه تاثیر قابل توجه ای در افزایش امنیت در زمان ترمز گیری، کاهش مسافت خط ترمز و کنترل بهتر خودرو در شرایط سطوح مختلف ترمز گیری دارد. در این مقاله، یک الگوریتم برخط نوین برای بهبود عملکرد سامانه های ترمز ضد قفل (ABS) معرفی می شود که از داده های عملی به جای مدل سازی ریاضی پیچیده بهره می برد، به عبارتی برخلاف مدل سازی های سنتی که به مدل های نیمه خودرو و شبیه سازی های دینامیکی لاستیک متکی هستند، این پژوهش از داده های واقعی چرخ ها برای توسعه و بهینه سازی الگوریتم ها استفاده می کند که این رویکرد باعث افزایش حساسیت و تطبیق پذیری الگوریتم نسبت به تغییرات واقعی جاده و شرایط مختلف عملیاتی می شود. از طرفی به طور موثر به شناسایی و تحلیل پدیده های Jump و Split پرداخته شده است که در سایر مقالات به طور اختصاصی پرداخته نشده است. این روش، که با استفاده از مدل های تحلیلی و تجربی آزمایش و اعتبارسنجی شده است و در شرایطی که حسگرهای شتاب در دسترس نیستند، دقت بالایی را در تخمین شتاب ارائه می دهد و می تواند پاسخ هایی با دقت مناسب در شرایط متغیر ترمزگیری ارائه دهد. نتایج شبیه سازی الگوریتم بر روی داده های تست عملی نشان از آن دارد که این الگوریتم باتوجه به کاهش تقریبا 49.1 درصدی در زمان تشخیص با سرعتی بیشتر نسبت به سایر الگوریتم ها عمل می کند و مزیت های قابل توجهی از جمله کاهش خط ترمزگیری، کاهش هزینه های محاساباتی سامانه را فراهم می آورد.

    کلیدواژگان: ترمز ضد قفل، تشخیص سطح، الگوریتم برخط، داده عملی، تست دوسطحی
  • محمد تاوید، سید حجت هاشمی* صفحات 317-327

    فولادهای ترمومکانیکال به دلیل چقرمگی و مقامت بالا در برابر رشد ترک، به طور گسترده در خطوط انتقال نفت و گاز استفاده می شوند. بخش وسیعی از خطوط لوله فولادی به کار رفته در صنعت نفت و گاز جمهوری اسلامی ایران از جنس فولاد API X65 است. نوسان فشار داخلی گاز در لوله های فولادی می تواند باعث شکست خستگی و انفجار شود. به همین دلیل، بررسی آسیب و یکپارچگی سازه ای این لوله ها از اهمیت بالایی برخوردار است. در این تحقیق منحنی تنش- عمر و استحکام خستگی فلز پایه لوله فولادی API X65، با انجام آزمایش خستگی تخمین زده شده است. به این منظور، تعداد 24 و 25 نمونه آزمایشگاهی به ترتیب در راستای درز جوش (جهت طولی یا غلتک کاری) و عمود بر درز جوش (جهت عرضی کلاف اولیه) طبق استاندارد، از لوله در مقیاس صنعتی با قطر خارجی 1219 میلی متر و ضخامت 3/14 میلی متر تهیه شد. نمونه های تهیه شده تحت آزمایش خستگی خمشی- چرخشی کاملا معکوس شونده قرار گرفت و با در نظر گرفتن توزیع نرمال لگاریتمی، تحلیل آماری نتایج انجام شد. منحنی میانگین، منحنی مشخصه و بازه اطمینان نتایج آزمایش در ناحیه های عمر خستگی محدود و استحکام خستگی براساس استانداردهای ISO 12107 و ASTM-E739 به دست آمد. مقدار میانگین حد دوام فلز پایه در راستای درز جوش و عمود بر درز جوش به ترتیب برابر 291 و 305 مگاپاسکال به دست آمد. این مقادیر به خوبی در محدوده پیش بینی 4/0 تا 6/0 استحکام نهایی فولاد آزمایش شده و بالاتر از حد دوام فلز جوش (258 مگاپاسکال) این لوله قرار دارد.

    کلیدواژگان: حد دوام، منحنی تنش- عمر، شکست خستگی، لوله انتقال گاز، فولاد API X65
  • الیاس حدادی*، ابوذر اسحقی اسکویی صفحات 329-339

    قوانین رفتاری ویسکوالاستیک خطی، مانند هایپرالاستیسیته با سری های پرونی به طور گسترده در نرم افزارهای تجاری برای شبیه سازی مواد پلیمری به کار گرفته می شوند. اگرچه این مدل ها، ممکن است برای مسائل کرنش کوچک عملکرد خوبی داشته باشند، اما در مورد مسائل کرنش بزرگ مانند چسب های تهیه شده از مواد نرم، دقت کافی را ندارند. به منظور به دست آوردن داده های تجربی برای چسب های نرم، از حالت های مختلف بارگذاری برشی مانند بارگذاری یکنواخت، خزش و آزمایش های سیکلی کم چرخه با استفاده از نمونه برش تک لبه استفاده شد. این آزمایش ها، روی یک نوع چسب های شفاف نوری انجام شد. در ابتدا، محدوده اعتبار ویسکوالاستیک خطی تعیین شد که عدم توانایی این رویکرد در پیش بینی دقیق کرنش های بزرگ را آشکار ساخت. سپس، پارامترهای مدل سه شبکه ای ویسکوپلاستیک تحت کرنش های بزرگ کالیبره و به صورت تجربی انجام گرفت. رویه های کالیبراسیون از تغییرات در حالت های بارگذاری بهره بردند و بدین ترتیب دقت مدل های رفتاری را افزایش دادند. برای کالیبراسیون، آزمایش بارگذاری-باربرداری کم چرخه به دلیل فراهم سازی حجم زیادی از اطلاعات، به عنوان روشی مناسب و مقرون به صرفه برای پیش بینی دقیق رفتار ماده توصیه می شود. در نهایت، توانایی مدل اساسی مستخرج، با استفاده از یک بارگذاری چرخه ای متفاوت مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که مدل پیشنهادی مقادیر تنش، اتلاف انرژی و کاهش انرژی ناشی از نرم شدن را به طور دقیق پیش بینی می کند.

    کلیدواژگان: کالیبراسیون، ویسکوالاستیسیته غیرخطی، بارگذاری چرخه ای، چسب شفاف نوری
|
  • Mostafa Dehghan Manshadi, Vahid Esfahanian* Pages 269-280

    The main approach in the study of fluid flow instabilities is the theory of linear stability, which is based on linearizing the governing equations and finding unstable eigenvalues. In many flows, like shear flows, the results of linear stability theory fail to match most experiments. In a linear system, even if all the eigenvalues are stable, the perturbations can lead to instability, if the eigenfunctions are not orthogonal. The transient features of these non-normal dynamical systems, can be described with low-dimensional structures, i.e. a few modes. It is possible to suppress the asymptotic and transient growth by identification of time-dependent modes. In this paper, a method of order reduction based on optimally time-dependent modes has been implemented. This method identifies the growth behavior of disturbances in short and long times. Also, a control algorithm based on the above method has been implemented to stabilize the growth of disturbances. The DNS solution of the flow and the implementation of the reduction and control algorithms is based on the NEKTAR++ open-source solver. At first problem, to validate the solution method, the order reduction and control algorithm has been implemented on the flow over a cylinder with Re=50. At second problem, for the first time, the control algorithm is implemented on the flow over a cylinder subjected to persistent time-varying disturbances. The results show that by applying a control force, the Von-Karman vortices are stabilized and a constant lift is obtained and body vibrations are cancelled.

    Keywords: Instability, Order Reduction, Flow Control, Optimally Time-Dependent Modes
  • Mohammad Saadatbakhsh*, Sadegh Sadeghzadeh Pages 281-291

    Superhydrophobic surfaces have gained significant attention as a promising approach for drag reduction of submerged objects. Accurate evaluation and prediction of drag reduction induced by these surfaces require expensive experimental measurements, numerical simulations, or the development of reliable models and correlations. In this paper, a model is proposed for calculating the skin friction coefficient and drag reduction of superhydrophobic flat surfaces. Utilizing previous data on the skin friction coefficient of flat surfaces under no-slip boundary conditions, a model is developed to estimate the skin friction reduction and skin friction coefficient of these surfaces after applying superhydrophobic coatings. The validity of the model is verified by comparing its results with those of computational fluid dynamics (CFD) simulations of flow over a flat plate at different velocities. The results of the model and simulations indicate that for inlet velocities of 1, 5, and 25 m/s and a slip length of 50 μm, drag reductions of 15%, 41%, and 77%, respectively, are expected. Additionally, the skin friction reduction increases with increasing flow Reynolds number. The developed model is validated for flat surfaces and its ability to accurately estimate the skin friction coefficient and drag force of these surfaces is thoroughly examined. However, further investigations are required to assess the model's validity for curved surfaces and variable slip lengths.

    Keywords: Flat Plate, Drag Reduction, Skin Friction Coefficient, Superhydrophobic, Slip Length
  • Mosayeb Najar, Rahmatollah Ghajar* Pages 293-303

    This research aims to experimentally investigate the energy absorption of thin-walled lattice tubes with a square section. The walls of the thin-walled tube are made in the form of a lattice with three types of cells: re-entrant auxetic, semi-re-entrant, and conventional honeycomb structures, and the material of the specimens is considered 304 stainless steels. All three types of lattice cells are produced by the rotary laser cutting method on a conventional tube and are axially compressed by a universal test machine under quasi-static loading at a 5 mm/min velocity. The test evaluation parameters are initial maximum force, mean crushing force, crushing force efficiency, energy absorption, and specific energy absorption. The results show that the thin-walled tube with the re-entrant auxetic structure has more specific energy absorption than the other two structures. The specific energy absorption of this structure is 25% higher than the conventional honeycomb structure. The semi-re-entrant structure has more energy absorption and mean crushing force than the other structures. The crushing force efficiency in the conventional honeycomb structure is higher than that of the other two structures, which has a value of 85%.

    Keywords: Auxetic, Semi-Re-Entrant, Specific Energy, Thin-Walled Tube, Quasi-Static
  • Mohammadmahdi Avazpour, Mohsen Mohammadi*, Ahmadreza Mahdavipanah Pages 305-315

    In recent decades, the evolution and advancement of automotive technology have played a crucial role in enhancing the safety and security of drivers and passengers. One prominent technology that significantly contributes to vehicle safety is the Anti-lock Braking System (ABS), which notably improves safety during braking, reduces braking distances, and enhances vehicle control across various road surface conditions. This paper introduces an innovative real-time algorithm aimed at improving the performance of ABS systems, leveraging practical data instead of complex mathematical modeling. Unlike traditional modeling approaches that rely on half car model and dynamic tire simulations, this study utilizes actual wheel data to develop and optimize the algorithms. This approach enhances the sensitivity and adaptability of the algorithm to real-world road changes and varying operational conditions. Furthermore, the method effectively addresses and analyzes the phenomena of Jump and Split, which have not been specifically tackled in other studies. Validated through both analytical and empirical models, this approach provides high accuracy in estimating acceleration in scenarios where accelerometer sensors are unavailable. It offers precise responses under varying braking conditions. Simulation results of the algorithm using practical test data indicate that it achieves approximately 49.1% faster detection times compared to other algorithms, offering significant advantages such as reduced braking distances and lower computational costs.

    Keywords: Anti-Lock Braking, Surface Detection, Realtime Algorithm, Practical Data, Two-Level Testing
  • Mohammad Tavid, Sayyed Hashemi* Pages 317-327

    Thermomechanical steels are widely used in oil and gas pipelines due to their high toughness and high resitance against crak growth. A large part of the steel pipelines used in the oil and gas industry in Iran is made of API X65 steel. The fluctuations of internal gas pressure in steel pipes can cause fatigue failure and lead to gas leakage and explosion. So, the control of damage initiation and structural integrity of gas pipelines is of great importance. In this study, the S-N curve and the fatigue strength of the base metal of the API X65 steel were estimated by performing fatigue tests. For this purpose, 24 and 25 test specimens along the seam weld in the coil transverse direction, and perpendicular to the seam weld along the coil rolling direction were prepared according to ISO 1143 standard, respectively. All test samples were cut from an spirally welded pipe with 1219mm outside diameter and 14.3mm wall thickness and were tested on a completely reverse rotating-bending fatigue machine. Statistical analysis of the results was performed by considering the normal logarithmic distribution. The mean curve, characteristic curve, and confidence interval of the results were obtained both in the finite fatigue life range and in the fatigue resistance. The mean endurance limit of the base metal perpendicular to and parallel to the seam seam were 305 and 291 MPa, respectively which were in the range of 0.4 to 0.6 of material tensile strength and above the seam weld endurance limit (258 MPa).

    Keywords: Endurance Limit, S-N Curve, Fatigue Fracture, Gas Pipeline, API X65 Steel
  • Elyas Haddadi*, Abuzar Eshaghi Oskui Pages 329-339

    Linear viscoelastic constitutive laws, such as hyperelasticity with the Prony series, are commonly used in commercial software to simulate polymer materials. However, these models are not accurate regarding large strain problems despite performing well for small strain problems. To gather experimental data for soft adhesives, various shear modes were employed, including monotonic, creep, and low-cycle tests using single-lap shear specimens. These tests were conducted on optically clear adhesives (OCAs). Initially, the validity range for linear viscoelasticity was established, revealing the inability to predict large strains accurately using this approach. Subsequently, the three-network viscoplastic (TNV) model parameters were calibrated experimentally under large strains. The calibration procedures took advantage of variations in loading modes, enhancing the precision and improving the accuracy of the constitutive models. For calibration purposes, it is recommended to utilize the low-cycle loading-unloading test as it offers a suitable and cost-effective means of precision. This approach provides a cost-effective way to accurately predict material behavior, owing to the variations in loading modes. Finally, the characteristic model was used to evaluate the results through the finite element method. The results showed that the proposed model accurately predicts stress values, energy dissipation, and energy loss due to softening

    Keywords: Calibration, Nonlinear Viscoelasticity, Cyclic Loading, Optically Clear Adhesive