فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک ایران
سال بیست و ششم شماره 4 (پیاپی 77، زمستان 1403)
- تاریخ انتشار: 1403/12/01
- تعداد عناوین: 6
-
-
صفحات 6-36در این مقاله، تحلیل ارتعاشات آزاد و اجباری یک میکروورق مبتنی بر تئوری کیرشهف گرادیان کرنشی با شرایط مرزی دوسرگیردار با استفاده از فرمول بندی المان محدود با داشتن پیوستگی ارائه می شود. با توجه به وجود مشتقات مرتبه بالا، از توابع درونیابی با پیوستگی برای ارائه یک فرمول بندی استاندارد استفاده می شود. سپس، ماتریس سفتی و جرم المان میکروورق با استفاده از اصل همیلتون استخراج می شود و فرمول بندی روی یک المان چهارضلعی با 4 گره و 36 درجه آزادی اعمال می شود. فرکانس های طبیعی میکروورق مورد نظر با استفاده از المان محدود به دست می آیند و با نتایج تحلیلی مقایسه می شوند و با ریز نمودن ابعاد المان ها (مطالعه مش)، دقت این روش با مقایسه فرکانس های به دست آمده با روش المان محدود و نتایج تحلیلی مورد نظر مقایسه می شود. علاوه بر این، فرکانس های طبیعی برای میکروورق ها با شرایط مرزی مختلف ارائه می شوند و تاثیر نسبت بر فرکانس های طبیعی میکروورق با شرایط مرزی مختلف بررسی می شود. در ادامه، نمودارهای ارتعاش اجباری میکروورق با شرایط اولیه و نیروی وارده مشخص و تاثیر شرایط مرزی و نسبت بر پارامترهای مختلف میکروورق مورد بررسی و ارائه قرار می گیرند.کلیدواژگان: المان غیرکلاسیک میکروورق، نظریه الاستیسیته گرادیان کرنشی، روش المان محدود، ارتعاشات اجباری
-
صفحات 37-61
در مطالعه حاضر عملکرد روش های مختلف خنک کاری شامل خنک کاری جابجایی آزاد هوا، جابجایی اجباری هوا در حضور چاه حرارتی، جابجایی اجباری هوا به همراه ماده تغییر فاز دهنده پارافین، جابجایی اجباری هوا به همراه پارافین و فوم فلزی و جابجایی اجباری هوا به همراه پارافین، فوم فلزی و پره بر خنک سازی باتری لیتیوم-یون خودروهای برقی با استفاده از شبیه سازی عددی بررسی شده است. نتایج نشان داد در زمانی که دمای باتری در وضعیت خنک کاری با پارافین خالص از دمای مجاز 55 درجه سلسیوس عبور می کند، برای پارافین با فوم فلزی و پارافین با فوم فلزی و پره، بیشینه دما به ترتیب برابر 3/39 و 1/36 درجه سلسیوس است. بنابراین فوم فلزی و فوم فلزی پره دار در مدت زمان مشابه به ترتیب دما را 29% و 34% نسبت به پارافین خالص کاهش می دهند و حتی پس از طی 21 چرخه کامل با تغییر نرخ حرارت تولیدی نیز دمای بیشینه از دمای مجاز بیشتر نمی شود. در دمای نسبتا بالا نیز استفاده از مواد تفییر فاز دهنده به همراه تقویت کننده های رسانندگی باعث می شود تا سیستم خنک کاری هیبریدی نسبت به سیستم خنک کاری جابجایی اجباری-چاه حرارتی کارآمدتر باشد؛ به گونه ای که گستره زمانی مجاز بیشتر از 11 برابر افزایش می یابد.
کلیدواژگان: خودرو برقی، باتری لیتیوم-یونی، خنک کاری، مواد تغییر فاز دهنده، فوم فلزی -
صفحات 62-89
موتورهای توربوفن سنگین با مقادیر تراست بالا، از جایگاه ویژه ای در بین موتورهای هوایی برخوردار می باشند. در میان اجزای مختلف موتورهای توربین گاز، بخش توربین، به دلیل دما و دور کاری بالای اجزای آن، از حساسیت و اهمیت بالایی برخوردار است. در مطالعه حاضر، ابتدا بر اساس نتایج حاصل از طراحی سیکل، طراحی مفهومی توربین موتور توربوفن مدنظر با استفاده از نرم افزارها و الگوریتم های تعریف شده، انجام شده است. در ادامه شبیه سازی عددی جریان بر روی پره های طراحی شده صورت گرفته و عملکرد توربین طراحی شده بررسی شده است. نتایج طراحی مفهومی، به ویژه هندسه پره های توربین، تطابق خوبی با اطلاعات در دسترس موتور اصلی داشتند. نسبت فشار توربین های طراحی شده در بخش طراحی مفهومی و شبیه سازی عددی تنها 7/0 و 5/0درصد اختلاف داشتند. با این حال بازده توربین فشار بالا، به دلیل در نظر نگرفتن خنک کاری در شبیه سازی عددی، بین طراحی مفهومی و شبیه سازی عددی، در حدود 6/5 درصد اختلاف داشتند.
کلیدواژگان: موتور توربین گاز، توربین، طراحی مفهومی، شبیه سازی عددی -
صفحات 90-114در این مقاله، بر مبنای یک تئوری تیر شبه سه بعدی بهبود یافته و استفاده از روش آیزوژئومتریک، ارتعاشات آزاد تیرهای کامپوزیتی تقویت شده با صفحات گرافن مطالعه شده است. تیر مورد بررسی به صورت لایه ای فرض شده که کسر حجمی گرافن در این لایه ها می تواند متفاوت باشد و منجر به یک سازه هدفمند تابعی شود. مدول الاستیسیته معادل این تیرها به کمک مدل هالپین-سای محاسبه شده است. ابتدا در قالب چندین مثال، دقت فرمول بندی پیشنهادی بررسی گردیده است. نتایج نشان می دهد که تئوری اتخاذ شده به خوبی می تواند رفتار ارتعاشات آزاد تیرهای نانوکامپوزیتی با ضخامت دلخواه را پیش بینی کند.کلیدواژگان: تحلیل آیزوژئومتریک، تئوری شبه سه بعدی، ارتعاشات آزاد، تیرهای کامپوزیتی، صفحات گرافن
-
صفحات 115-140
امروزه ازن درمانی به عنوان یک روش غیرتهاجمی و کارآمد برای درمان بسیاری از بیماری ها مطرح شده است. در این مقاله، حسگر نانوبیومکانیکی ازن ارائه شده که از اکسید روی بر روی شیشه و الکترودهای آلومینیوم ساخته شده است. حسگر در دمای 120 درجه سانتی گراد بازده 84% در اندازه گیری ppm5 گاز ازن دارد و زمان پاسخ 15 ثانیه و بازیابی 120 ثانیه را دارا است. این حسگر قابلیت اندازه گیری ppm1 گاز ازن را دارا می باشد و انتخاب پذیری مناسبی نسبت به گازهای اکسیژن و استون به ترتیب با پاسخ های 21% و 31% دارد. همچنین، بسته بندی مناسب بر عملکرد حسگر تاثیر ناچیزی دارد.
کلیدواژگان: حسگر گاز الکتروشیمیایی، حسگر گاز ازن، حسگر گاز اکسید فلزی، نانومیله اکسید روی -
صفحات 141-154در این مقاله به استفاده از جاذب ارتعاشی جهت میرا کردن ارتعاشات توسط موتور بالگرد می پردازیم، ارتعاشات موتور سبب ایجاد محیط های دینامیکی شدیدی می شودکه در این بین، ارتعاشات با ورودی سینوسی سهم اصلی در تخریب بالگرد را دارد. با استفاده از سیستم میراگر مقاله که در واقع جاذبی نیمه فعال است، در فرکانس های پایین تا 20% بیشتر به میراسازی ارتعاشات نسبت به جاذب غیر فعال عمل می کند و از آنجایی که موتور بالگرد تحت ارتعاشات مختلف قرار دارد، میراگر نیمه فعال تا %96 این ارتعاشات در شرایط مختلف کاری موتور را میرا خواهد کرد.کلیدواژگان: بالگرد، جاذب ارتعاشات، موتور، میراگر
-
Pages 6-36In this article, the analysis of free and forced vibrations of a microplate based on the Kirchhoff gradient strain theory with clamped boundary conditions is presented using the finite element formulation with continuity. Due to the presence of higher-order derivatives, continuous interpolation functions are employed to provide a standard formulation. Subsequently, the stiffness and mass matrices of the microplate element are extracted using the Hamiltonian principle, and the formulation is applied to a four-noded quadrilateral element with 36 degrees of freedom. The natural frequencies of the desired microplate are obtained using the finite element method and compared with analytical results. Additionally, by refining the element dimensions (mesh refinement), the accuracy of this method is compared by examining the obtained frequencies with the finite element method and the desired analytical results. Furthermore, the natural frequencies for microplates with different boundary conditions are provided, and the influence of the ratio on the natural frequencies of microplates with various boundary conditions is investigated.Subsequently, vibration diagrams for the microplate with specified initial conditions and applied forces are presented. The effects of boundary conditions and the ratio on various microplate parameters are examined and discussed.Keywords: Non-Classical Element Of Micro-Plate, Strain Gradient Elasticity Theory, Finite Element Method, Forced Vibration
-
Pages 37-61
In this study, the performance of different cooling methods including natural air circulation cooling, forced air circulation in the presence of a heat sink, forced air circulation with paraffin as phase change material, forced air circulation with paraffin and metal foam and forced air circulation with paraffin, foam and fin on cooling of lithium-ion batteries of electric vehicles have been investigated using numerical simulation. The results showed that when the battery temperature in the state of cooling with pure paraffin exceeds the allowed temperature of 55 degrees Celsius, for paraffin with metal foam and paraffin with metal foam and fins, the maximum temperature is 39.3 and 1.36 degrees Celsius, respectively. is Therefore, metal foam and finned metal foam reduce the temperature by 29% and 34% respectively in the same period of time compared to pure paraffin, and even after 21 complete cycles with the change of production heat rate, the maximum temperature does not exceed the allowed temperature. At a relatively high temperature, the use of phasing materials along with conductivity amplifiers makes the hybrid cooling system more efficient than the forced displacement-heat well cooling system; In such a way that the allowed time span increases more than 11 times.
Keywords: Electric Vehicle, Lithium-Ion Battery, Cooling, Phase Change Material, Metal Foam -
Pages 62-89
Heavy turbofan engines with high thrust values have a special place among air engines. Between the components of gas turbine engines, the turbine part is very sensitive and important due to the high temperature and long-distance operation of its components. In the present study, based on the results of the cycle design, the conceptual design of the turbine of the considered turbofan engine has been done by using the defined software and algorithms. The pressure ratio of the designed turbines in the conceptual design and numerical simulation section differed only by 0.7 and 0.5%. However, the efficiency of the high pressure turbine differed by about 5.6% between the conceptual design and the numerical simulation due to not considering the cooling in the numerical simulation.
Keywords: Gas Turbine Engine, Turbine, Conceptual Design, Numerical Simulation -
Pages 90-114In this paper, based on a refined quasi-3D beam theory and using the isogeometric method, the free vibration behavior of composite beams reinforced by graphene platelets is studied. The quasi-3D beam theory takes into account both shear deformation and thickness stretching effects. The beam under consideration is assumed to be a laminated beam where the volume fraction of graphene may be different in each layer which leads to a functionally graded structure. The equivalent modulus of the beams is obtained by means of the Halpin-Tsai model. Besides, the equivalent mass density and Poisson's ratio are evaluated using the conventional rule of mixture. The results demonstrate that the isogeometric analysis (IGA) based on the refined quasi-3D beam theory can precisely predict the natural frequencies of the composite beams reinforced by graphene platelets with low computational cost. Moreover, a set of new results are presented for different parameters related to the beam material and geometrical characteristics of the functionally graded graphene platelet-reinforced composite (FG-GPLRC) beams.Keywords: Isogeometric Analysis, Quasi-3D Beam Theory, Free Vibration, Composite Beams, Graphene Platelets
-
Pages 115-140
Nowadays, ozone therapy has been proposed as a non-invasive and efficient method to treat many diseases. Excess amounts of this gas are harmful to the lungs and eyes and can have adverse effects on the treatment process. Therefore, it is important to monitor the amount of ozone gas used. In this article, in order to accurately measure and control the amount of this gas, the design and construction of the nanobiomechanical ozone gas sensor has been discussed. In this sensor, zinc oxide active material is used on a glass substrate and aluminum shoulder electrodes. The results of the characterization and measurement of this sensor show that this sensor has the best performance at a temperature of 120 degrees Celsius in the amount of 5 ppm of ozone gas with an efficiency of 84%. Also, the response and recovery time of this sensor has been measured as 15 and 120 seconds, respectively. The remarkable thing about the built sensor is the ability to measure ozone gas up to the minimum value of 1 ppm. Also, it has good selectivity to oxygen and acetone gases in equal amounts, so the response of the sensor to 5 ppm of oxygen and acetone gas is 21% and 31%, respectively. Also, the results showed that the proper design of the sensor packaging, looking at its mechanical aspects, does not make significant changes to the sensor performance.
Keywords: Electrochemical Gas Sensor, Ozone Gas Sensor, Metal Oxide Gas Sensor, Zinc Oxide Nanorod -
Pages 141-154In this article, the use of vibration absorbers to dampen the vibrations created by the helicopter engine has been described. During their flight mission, helicopters are affected by many vibrations, which can be considered as one of the most important sources of vibrations in helicopters, which cause different and intense dynamic environments such as the effects of vibrations with sinusoidal input and step and triangle to the helicopter, in between, the vibration environment with sinusoidal input has the main contribution in destroying and weakening the overall performance of the helicopter and the possible failure of the flight mission. By using the design of the damper system of the article, which is actually a combination of active absorbers with LQR PID algorithm and passive, which, at low frequencies, the active control function and its combination with the elastomeric base absorber is 20% more optimal than the passive absorber and 10 % is more optimal than the active absorber and since the helicopter engine is subjected to various vibrations with a high vibration amplitude during its flight mission, the designed system significantly reduces the generated vibrations and up to 96% of these vibrations in It will dampen the average performance of the engine and in different working conditions.Keywords: Helicopter, Vibration Absorber, Engine, Damper