per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
3
18
10.22060/mej.2017.13299.5592
2705
Research Article
ارائه یک فرمول بندی المان محدود C1 برای مدل میکرو ورق میندلین-رایسنر
A C1 Finite Element Formulation for Mindlin-Reissner Microplate Model
فرزام دادگر راد
dadgar@guilan.ac.ir
1
سید رضا اشرف
reza.ashraf@guilan.ac.ir
2
آرش ایمانی
arash.imani@guilan.ac.ir
3
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت، ایران
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت، ایران
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت، ایران
در این مقاله، فرمولبندی المان محدود میکرو ورق میندلین-رایسنر بر اساس نظریه الاستیسیته گرادیان کرنش ارائه می گردد. با توجه به وجود مشتقات مرتبه بالا، جهت ارائه یک فرمولبندی المان محدود استاندارد، باید از توابع درونیابی با پیوستگی C1 استفاده نمود. براین اساس، شکل کلی ماتریس سفتی و بردار نیروی المان میکرو ورق براساس اصل کار مجازی استخراج شده و سپس فرمولبندی بر روی یک المان چهار ضلعی چهار گرهی با 36درجه آزادی اعمال می گردد. تغییر شکل ورق های مستطیلی میندلین-رایسنر گرادیانی تحت فشار یکنواخت با سه دسته شرایط مرزی مختلف مورد مطالعه قرار می گیرد. بتدا میکرو ورق با لبه های ساده بررسی شده و حل المان محدود گرادیانی بدست آمده با حل دقیق میکرو ورق براساس این نظریه مقایسه می گردد، که تطابق بسیار نزدیکی بین پاسخ های این دو روش مشاهده می شود. سپس میکرو ورق با چهار لبه گیردار و نیز سه لبه ساده و یک لبه آزاد بررسی می گردند. در هر دو مورد، پاسخی همگرا با ریز نمودن اندازه المانها بدست می آید. در صورت نازک بودن ورق و نیز بزرگ بودن نسبت ضخامت به پارامتر مقیاس طول ماده، نتایج بدست آمده در تحلیل المان محدود بر مبنای نظریه گرادیان کرنش با حل ورق کرشهف بر مبنای الاستیسیتهی کلاسیک منطبق می گردند.
In this paper, a C1 finite element (FE) formulation of Mindlin-Reissner microplate based on strain gradient elasticity theory is developed. The general form of the stiffness matrix and force vector of the microplate element is firstly extracted, and then specialized on a four-node quadrilateral element with 36 degrees of freedom. Deformation of rectangular microplates with simply-supported edges, clamped edges, and three edges simply-supported and the fourth edge free, and under uniform external pressure is then studied. For the case of microplate with simply-supported boundaries, comparison between the FE and the corresponding exact solution is made, which shows extremely close results. For the next two examples, a convergent solution by means of mesh refinement is obtained. Moreover, for the case of thin plates and for large values of the thickness-to-material length ratio, the results of gradient-based FE analysis are coincident with those of the Kirchhoff plate model based on classical elasticity. Numerical simulations show that the introduced element is able to capture the size effect phenomenon at micron scale. When the plate thickness is in the order of the material length parameter, the value of deflection is lower than that predicted by the models based on classical elasticity.
https://mej.aut.ac.ir/article_2705_0d02f5aed022d8ed6ea4374a5f24795e.pdf
نظریه الاستیسیته گرادیان کرنش
روش المان محدود
میکرو ورق میندلین-رایسنر
Strain gradient elasticity theory
finite element method
Mindlin-Reissner microplate
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
19
32
10.22060/mej.2017.12552.5382
1958
Research Article
بررسی پدیده کرنشهای پیشرونده در محلهای خوردگی با اشکال و عمقهای متفاوت در لولههای زانویی شکل تحتفشار داخلی به همراه ممانهای خمشی دورهای
Investigation of the Ratcheting on Corroded Places with Different Shape and Depths in Elbow Pipe under Internal Pressure and Cyclic Bending Moment
علی صالحی
ali.salehi93@ms.tabrizu.ac.ir
1
محمد زهساز
zehsaz@tabrizu.ac.ir
2
فرید وکیلی تهامی
f_vakili@tabrizu.ac.ir
3
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران
طراحی خطوط لوله در صنایع مختلف ازجمله: صنایع پتروشیمی، نیروگاه های اتمی و سایر صنایعی که خطوط لوله، تحت فشار نسبتاً زیادی قرار دارد از اهمیت ویژه ای برخوردار است؛ به ویژه هنگامی که این خطوط لوله، تحت بارهای خارجی به صورت سیکلی، همچون هنگام وقوع پدیده زلزله، قرار گیرند. در این حالت بررسی تغییر شکل های پیش رونده از اهمیت ویژه ای برخوردار است؛ خصوصاً خطوط لوله ای که تحت تأثیر محیط اطراف یا سیالی که حامل آن است دچار واکنش های شیمیایی و درنهایت دچار خوردگی شوند. در این مقاله کرنش های پیش رونده در نواحی خوردگی نمونه زانویی شکل به صورت عددی توسط کد کامپیوتری آباکوس موردبررسی قرار گرفته شده است. خوردگیها با اشکال هندسی کروی و مکعبی شکل و با دو عمق یک و دو میلیمتری، در محل های حساس از لوله زانویی شکل، مانند محل های تقارن در نواحی قوس داخلی، میانی و خارجی اعمال شده است. درنهایت نتایج حاکی از تأثیر مخرب خوردگی و افزایش این تأثیر مخرب با افزایش عمق خوردگی و وابسته بودن آن به شکل هندسی خوردگی های اعمال شده است، به طوری که در محلهای خوردگی با شکل هندسی مکعبی شکل نسبت به نوع کروی شکل کرنشهای پیشرونده رشد بیشتری داشتند. همچنین رشد کرنشهای پیش رونده در جهت محیطی بسیار بیشتر از جهت محوری، در تمام نواحی نمونه مربوطه به دست آمد.
In most industries, such as Petrochemical and Nuclear power plants design of pipelines which operate under high pressure is important. Especially when the pipelines are subjected to external cyclic loads for example during earthquakes. The situation becomes more severe when chemical reactions cause corrosion in pipe walls. In this case, ratcheting effect due to the cyclic mechanical load is magnified due to the corroded region and it becomes a major concern. In this paper the ratcheting behavior of corroded elbows have been investigated using finite element based software ABAQUS and numerical solution method. Two forms of corrosion: spherical and cubic geometric shapes are used with two depths of one and two millimeters on the sensitive areas such as symmetry axes in the intrados, crown and extrados of the elbow Finally results suggests the corrupting influence of corrosion in term of ratcheting and consequently increase this corrupting influence with increase depth of corroded and also its reliance to the geometry of applied corrosion. So the ratcheting on corroded place with cubic shapes is larger than spherical shapes. The results show that the ratcheting in the circumferential direction is too large compared with the axial direction.
https://mej.aut.ac.ir/article_1958_798733e3a4bd2635ac6a47ac08e1462b.pdf
لوله زانویی شکل
کرنشهای پیشرونده
ممانهای خمشی دورهای
فولاد ضدزنگ 304LN
ضرایب سختشوندگی
Pipe elbow
Ratcheting
Cycling bending moment
SS 304LN
Hardening coefficient
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
33
42
10.22060/mej.2017.13274.5589
2712
Research Article
بررسی تجربی جذب انرژی پروفیلهای مربعی تحت بارگذاری دندانهای چندگانه
Experimental Study of Energy Absorption of Square Column under Multi-Indentation Loading
سید جعفر روزگار
rouzegar@sutech.ac.ir
1
محمد رضا کشاورز
keshavarz1369@gmail.com
2
سید حسن عصایی
assaee@sutech.ac.ir
3
دانشکده مهندسی مکانیک و هوافضا، دانشگاه صنعتی شیراز
دانشکده مهندسی مکانیک و هوافضا، دانشگاه صنعتی شیراز
دانشکده مهندسی مکانیک و هوافضا، دانشگاه صنعتی شیراز
در این تحقیق به مطالعه تجربی جذب انرژی و تغییر شکل پروفیلهای جدارنازک با سطح مقطع مربعی تحت بارگذاری دندانهای چندگانه پرداخته شده است. هدف اصلی از انجام این تحقیق بررسی اثر تعداد دندانهها و همچنین قطر و فاصلهی بین دندانهها بر پارامترهای جذب انرژی است. در ابتدا پروفیلهای مربعی آلومینیوم با طول مشخص تهیه شد و همچنین یک مجموعه دندانه قابل تنظیم نیز جهت اعمال بارگذاری دندانهای چندگانه ساخته شد. سپس بارگذاری شبه استاتیکی با نرخ بارگذاری ثابت بر روی نمونهها انجام گرفت. در نحوهی بارگذاری، نمونهها بین یک فک نسبتا صلب و یک مجموعهی دندانه قابل تنظیم قرار گرفت. نمودارهای نیرو-جابهجایی نمونهها به دست آمد و پارامترهای جذب انرژی محاسبه شد. مقایسهی نتایج تجربی در حالت یکدندانه و دودندانه نشان دهنده افزایش قابل توجه جذب انرژی حالت دودندانه نسبت به یک دندانه بود. برای بارگذاری با دو دندانه، با افزایش فاصله دندانهها از هم، نمودارهای نیرو-جابه جایی به مراتب بالاتر از حالت یک دندانه قرار گرفت و به حالت دو دندانه مجزا نزدیک شد. همچنین با افزایش قطر و فاصلهی بین دندانهها به دلیل ایجاد لولای پلاستیک بزرگتر، میزان جذب انرژی حدود 20تا 60درصد افزایش یافت.
This research deals with experimental investigation on energy absorption and deformation of thin walled square columns under multi-indentation loading. The main goal of this research is to examine the effect of number and diameter of indenters and distance between them on the energy absorption parameters. First, square aluminum specimens with specific lengths were prepared and also an adjustable fixture for applying multi-indentation loading was fabricated. Then the indentation loading were applied on the specimens during a quasi-static condition with a constant loading rate. During loadings, the specimens were located between an almost rigid platen and the adjustable indenters. The load-displacement diagrams of specimens were obtained and the energy absorption parameters were calculated. The results indicate that the amount of absorbed energy in multi-indentation process increases significantly respect to single-indentation. By increasing the distance between indenters in multi-indentation loading, the load- displacement diagram shifts upward and moves toward the twice of single-indentation diagram. Also, by increment of diameter of indenters and distance between them, the amount of absorbed energy increases 20-60% due to formation of bigger plastic hinges.
https://mej.aut.ac.ir/article_2712_bc05d1df6375e5b5e7ff6c5659927c87.pdf
مطالعهی تجربی
جذب انرژی
پروفیل جدارنازک
بارگذاری دندانهای
دندانهگذاری چندگانه
Experimental study
Energy Absorption
Thin-walled column
Indentation loading
Multi-indentation
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
43
52
10.22060/mej.2017.12486.5351
1019
Research Article
بررسی رشد دو ترک پادمتقارن در ورق براثر کشش لبه ها با سرعت های مختلف با استفاده از تئوری پری داینامیک
A Peridynamic Study on Crack Growth in Plates with Two Anti-symmetric Cracks under Various Tensile Velocities
میثم شکوری
shakouri@semnan.ac.ir
1
سید روح الله کاظمی
kazemi@guilan.ac.ir
2
دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه سمنان، سمنان ، ایران
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت، ایران
با وجود توسعه مدلهای پیش بینی شروع و رشد ترک، این موضوع هنوز یکی از چالشهای عمده در مکانیک محیطهای پیوسته است. مشکل اصلی در فرمولبندی ریاضی این موضوع به این علت به وجود میآید که فرض میشود جسم پس از تغییر شکل هنوز محیط پیوسته باقی میماند. بنابراین، ساختار ریاضیاتی مساله با به وجود آمدن یک ناپیوستگی )مانند ترک و شکست( دچار مشکل میشود. این اتفاق بدین دلیل رخ میدهد که تئوری کلاسیک از معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی برای تشریح فضای مادی استفاده میکند و این مشتقات جزئی در محل ناپیوستگی تعریف نشده است. برای غلبه بر این محدودیت، روش پری داینامیک برای مدل سازی مسائل شامل ناپیوستگی معرفی شده که در آن ناپیوستگی هایی مانند ترک و شکست در سازه به عنوان نوعی دیگر از تغییر شکل در نظر گرفته میشود. در این مقاله مساله رشد ترک در ورقی با دو ترک پادمتقارن تحت کشش بررسی شده و پس از صحه گذاری نتایج با مطالعات موجود، اثر سرعت اعمال بار کششی بر نحوه رشد ترک مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج این تحقیق نشان میدهد که روش پری داینامیک توانایی بالایی در شبیهسازی رفتار سازه با هر سرعت بارگذاری را دارد و سرعت اعمال بار تاثیر مستقیمی بر نحوه رشد ترک و ایجاد پدیده چند شاخه شدن ترک دارد.
Despite the development of some advanced concepts in fracture mechanics during recent decades, the prediction of crack initiation and its growth in materials is still a major challenge. The main difficulty is because of the continuum based mathematical formulation, which assumes that a body remains continuous as it deforms. In fact, the classical theory is formulated using spatial partial differential equations. This presents a characteristic limitation to the classical theory, as the spatial derivatives in the governing equations lose their meaning due to the presence of a discontinuity, such as a crack. To overcome this problem, Peridynamic theory could be used to improve the analysis of cracked structures. Basically, the peridynamic theory is a reformulation of the equation of motion in solid mechanics that is better suited for modeling bodies with discontinuities, such as cracks. The theory uses spatial integral equations that can be applied to a discontinuity. The present study uses this approach to study the effects of applying tensile loads on crack paths in a plate with two parallel initial cracks located in an anti-symmetric manner. The results are compared with other investigations and it is shown that the velocity of applying load has significant effect on crack path and branching.
https://mej.aut.ac.ir/article_1019_41c520603025b8cc6e3402b99ca4fdd3.pdf
تئوری پریدینامیک
ترک پادمتقارن
چند شاخه شدن
سرعت بارگذاری
Peridynamic Theory
crack growth
Branching
Loading rate
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
53
64
10.22060/mej.2017.12419.5328
975
Research Article
بررسی عددی اثر هندسه هدف در آسیب ایجاد شده در کامپوزیت گلیر در اثر برخورد مایل گلوله ضدزره کالیبر متوسط
Numerical Investigation of the Target Geometry Influence on the Glare Damage Caused By Medium-Caliber AP-Projectile
پویا پیرعلی
ppirali@mut.ac.ir
1
مهرداد قدمی
md.ghadami@yahoo.com
2
پژوهشکده مکانیک و فناور یهای ساخت، مجتمع دانشگاهی مواد و فناور یهای ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران
پژوهشکده مکانیک و فناور یهای ساخت، مجتمع دانشگاهی مواد و فناور یهای ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران
پرتابه های کالیبر متوسط ضدزره، انرژی جنبشی زیادی دارند و عملاً امکان جلوگیری از نفوذ این پرتابهها در اهداف مختلف به طور مستقیم وجود ندارد؛ بنابراین لازم است با مطالعه اهداف، راهی برای مقابله با این پرتابه ها ارائه گردد. یکی از کاربردهای پرتابههای کالیبر متوسط، علیه اهداف هوایی میباشد که عموما از ور قهای الیاف-فلز گلیر ساخته میشوند. در این مطالعه پدیده نفوذ مایل پرتابه کالیبر متوسط ضدزره در اهداف با هندسه مسطح، منحنی با شعاع انحنای 20 سانتیمتر و انحنای 3/ 6 سانتیمتر از جنس گلیر 5 با استفاده از نرم افزار آباکوس شبیه سازی شده و آسیب دیدگی ایجاد شده بررسی شده است. شبیه سازی رفتار شکست کامپوزیت، براساس مدل کامپوزیت تک جهته سه بعدی بوده و برای این منظور، سابروتین وی یومت، نوشته شده و در نرم افزار آباکوس به کار رفته است. همچنین بدلیل پرانرژی بودن گلوله و آسیبهای شدید آن، برخلاف مطالعات سابق، گلوله غیرصلب درنظرگرفته شده است. به منظور اعتبارسنجی نتایج، از یک رابطه تجربی استفاده شده و پس از صحت سنجی روش حل، برخورد گلوله به اهداف با هندسههای مختلف شبیه سازی شده و اثر انحنای هدف روی پدیده نفوذ در کامپوزیت گلیر بررسی شده است. نتایج نشان میدهد که همواره افزایش انحنای هدف، نتیجه یکنواختی در کاهش یا افزایش آسیب دیدگی آن ندارد.
The medium caliber armor piercing projectiles have high kinetic energy and in practice, it is impossible to prevent these projectiles from penetration through different types of targets, directly. So this is essential to demonstrate a solution to repel these projectiles by studying on behavior of the targets. Air targets, generally made of fiber-metal laminates called GLARE, are one of the most important targets for medium caliber projectiles. In this study, numerical simulation of oblique penetration of medium caliber armor piercing projectile through the flat target of GLARE5 as well as curve targets with 6.3cm and 20cm curvature radius of the same material has been investigated via Abaqus software and consequence damage studied. Simulating failure behavior of the composite, 3D unidirectional composite model has been used and in order to do, a user-defined-subroutine VUMAT written and used with the Abaqus software. Also, because of high kinetic energy of the projectile, projectile damage has been accounted. Method of simulation has been verified by an experimental equation and the influence of target curvature on the penetration investigated. Results have shown that the increasing of the target curvature has not monotonic outcome of decreasing or increasing of the target damage.
https://mej.aut.ac.ir/article_975_3e1d9620465d507ae9c34a6f93560638.pdf
هندسه منحنی
نفوذ مایل
گلیر
پرتابه کالیبر متوسط
گلوله ضدزره
Curve Geometry
Oblique Penetration
GLARE
Medium Caliber AP Projectile
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
65
78
10.22060/mej.2017.12881.5460
1188
Research Article
تحلیل کمانش پوسته استوانهای فلز –کامپوزیت طراحی شده بر اساس معیار شکست تنش ماکزیمم
Buckling Analysis of Designed Fiber Metal Laminate Circular Cylindrical Shell Based on Maximum Tension Fracture Criterion
علی نظری
nazariali23@yahoo.com
1
کرامت ملکزاده فرد
kmalekzadeh@mut.ac.ir
2
دانشکده مهندسی مکانیک، پژوهشگاه هوافضا، تهران، ایران
دانشکده مهندسی مکانیک، پژوهشگاه هوافضا، تهران، ایران
با تعیین زاویه مناسب جهت قرارگیری فیبرهای تقویت کننده لایههای کامپوزیتی پوستههای چند لایه فلز و کامپوزیت میتوان سفتی این پوستهها را به گونهای تغییر داد تا کارایی سازه بهبود یابد. به این منظور در این پژوهش پوسته فلز-کامپوزیت تحت بار استاتیکی عرضی قرار گرفته و با استفاده از روش اجزاء محدود تحلیل تنش برای تمامی حالتهای زوایای قرارگیری فیبرها انجام گرفته و با استخراج تنشهای ایجاد شده در تمامی لایهها و با به کارگیری معیار شکست تنش ماکزیمم، زاویه قرارگیری مناسب برای فیبرهای تقویت کننده به گونهای تعیین گردیده که منجر به بیشترین استحکام ممکن برای پوسته گردد. جهت انجام تحلیلهای فوق از نرم افزارهای عددی و تحلیلی و لینک این نرم افزارها به یکدیگر استفاده شده است. همچنین به منظور تعیین کارایی روش طراحی مذکور، تحلیل کمانش ساختارهای طراحی شده انجام گرفته است. نتایج نشان میدهد با تعیین زاویه مناسب قرارگیری فیبرهای تقویت کننده، مرزهای پایداری پوسته دچار بهبود قابل ملاحظهای میگردند. از دیگر نوآوریهای این تحقیق میتوان به مقایسه و تعیین میزان اثربخشی تغییر ضخامت، تغییر جنس لایههای فلزی و تغییر زاویه قرارگیری فیبرهای تقویتکننده، بر روی مرزهای پایداری پوستههای فلز-کامپوزیت اشاره نمود. جهت افزایش دقت نتایج تحلیلی، معادلات بر مبنای تئوری مرتبه بالا استخراج گردیده اند.
In the fiber metal laminated shell with determination the proper fiber angle orientation is achieved the arrangement with maximum performance. For this purpose in this study the fiber angle orientation of composite layers of the fiber metal laminate circular cylindrical shells are changed frequently and each cases being subjected to lateral load and the tension of all composite layers are calculated for all cases. Then the fiber angle orientation that cause to maximum stiffness based on maximum tension fracture criterion is selected. For this purpose an analytical program linked to the numerical program is used and calculated result. The buckling analysis is applied to determine the performance of design process. The results of buckling analyses show that determination of the optimum fiber angle orientation causes to improvement of the fiber metal laminated shell stability. Comparing the effect of variation of the fiber angle orientation, variation of the metal layer properties and variation of the thickness shell on the buckling load is the another innovation of this study and it is determined that for various amount of metal volume fraction with change in which item the maximum stability is achived.in order to improve the result accuracy high order shear deformation theory is utilized for buckling analysis.
https://mej.aut.ac.ir/article_1188_2021ccb5286b25f8cffc1831d3be9994.pdf
کمانش
چند لایه فلز و کامپوزیت
معیار شکست
تئوری مرتبه بالا
تنش ماکزیمم
Buckling
fiber metal laminated
fracture criterion
high order theory
maximum tension
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
79
96
10.22060/mej.2017.13123.5543
2715
Research Article
تحلیل کمانش و ارتعاشات میکروورق نانوکامپوزیتی کوپلهی تقویتشده با نانولولههای کربنی و نیترید بور به طور همزمان براساس تئوری گرادیان کرنشی تعمیمیافته
Buckling and Vibration Analyses of Double-bonded Micro Composite Plates Reinforced by CNTs and BNNTs Based on MSGT
مهدی محمدی مهر
mmohammadimehr@kashanu.ac.ir
1
مجتبی محرابی
mojtabamehrabi1991@gmail.com
2
احسان شعبانی نژاد
ehsan.shabani93@gmail.com
3
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران
در مطالعه حاضر، تحلیل کمانش و ارتعاشات آزاد میکرو ورق کامپوزیتی کوپلهی تقویت شده با نانو لوله ها تحت تأثیر تنش اولیه و واقع بر بستر اورتوتروپیک بر اساس تئوری تغییرشکل برشی سینوسی و در حضور میدانهای فیزیکی مختلف بررسی شده است. روابط مربوط به تنش که شامل ترمهای مکانیکی، الکتریکی، مغناطیسی و حرارتی هستند، توسط تئوری گرادیان کرنشی تعمیم یافته محاسبه شده و معادلات حاکم بر حرکت با استفاده از اصل همیلتون به دست آمده اند. با حل معادلات حاکم بر حرکت، تأثیر عوامل مختلف از قبیل ضریب مقیاس کوچک طول ماده، نسبت طول به ضخامت و عرض، ثابتهای بستر اورتوتروپیک، تغییرات دما و کسر حجمی نانو لولهها بررسی شده اند. نتایج حاصل از تحقیق نشان میدهد که افزایش ضریب مقیاس کوچک طول ماده، ثابتهای بستر الاستیک، حضور نانولولهها و میدانهای فیزیکی مختلف علاوه بر آن که فرکانسهای طبیعی و بار کمانش بحرانی سیستم را افزایش میدهند، منجر به تأخیر پدیده رزونانس نیز میشوند. این در حالی است که افزایش دما به سبب تاثیری که در کاهش سفتی میکرو سازه دارد، منجر به کاهش فرکانسهای طبیعی و بار کمانش بحرانی میشود. میتوان بیان نمود که نتایج کار حاضر میتواند برای سیستمهای مکانیکی-الکتریکی استفاده شده و زمینه کاملی برای مطالعات آتی ارائه دهد.
In this work, buckling and free vibration analyses of double-bonded micro composite plates reinforced by boron nitride and carbon nanotubes rested in an orthotropic foundation in presence of initial stresses and electro-magneto-thermal multi-physics fields are investigated based on sinusoidal shear deformation theory. The relation between electro-magneto-thermo-mechanical parameters are presented based on most general strain gradient theory and the governing equations of motions are obtained using Hamilton’s principle. With solving the governing equations of motions of double-bonded nanocomposite micro plates the effect of various parameters such as mass scale length parameter, lengthto- thickness and width ratios, orthotropic elastic constants, temperature changes and boron nitride and carbon nano tubes volume fractions are considered. The obtained results of this work demonstrate that the natural frequencies and critical buckling load enhance with increasing the mass scale length parameter, orthotropic elastic constants and nanotubes volume fractions and lead to delay the resonance phenomenon. While increasing the temperature changes lead to reduce the micro structure stiffness, natural frequencies and critical buckling load. It can be said that this application can be used in micro electro mechanical and nano electro mechanical systems and provide a great background for more studies.
https://mej.aut.ac.ir/article_2715_919ae35f8472e086c6f894daae225b14.pdf
کمانش و ارتعاشات
تئوری تغییر شکل برشی سینوسی
تئوری گرادیان کرنشی تعمیم یافته
وابسته به دما
بستر اورتوتروپیک
Buckling and vibration
Sinusoidal shear deformation theory
Most general strain gradient theory
Temperature-dependent
Orthotropic elastic foundation
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
97
108
10.22060/mej.2017.12541.5360
1194
Research Article
اصلاح رفتار ارتعاشی آزاد در تیر تیموشنکوی دوار دارای ترک با استفاده از اتصالات پیزوالکتریک و به کارگیری روش تبدیل دیفرانسیل
Repair of Free Vibration Behavior of a Cracked Rotating Timoshenko Beam Using a Piezoelectric Patch and Applying Differential Transform Method
محمد مهدی نادری
naderi1516@yahoo.com
1
علیرضا آریایی
ariaei@eng.ui.ac.ir
2
دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران
دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران
در این مقاله یک روش تحلیلی جهت استفاده از اتصالات پیزوالکتریک برای اصلاح رفتار ارتعاشی آزاد در یک تیر دورانی ترک دار ارائه میشود. معادلات تیر بر مبنای تئوری تیموشنکو و با در نظر گرفتن اثر تغییر شکل برشی و اینرسی دورانی به دست میآیند. معیار مورد استفاده جهت اصلاح ترک افزایش فرکانس اول تیر دارای ترک و منطبق کردن آن بر فرکانس تیر سالم است. بدین منظور یک ولتاژ خارجی به وصله پیزوالکتریک متصل به تیر اعمال میشود که از میزان نقش ترک بر تغییر ویژگیهای ارتعاشی تیر میکاهد. ابتدا معادلات دیفرانسیلی کوپل تیر تیموشنکو با روش مودهای فرضی از هم جدا میشوند. سپس تیر تر کدار به صورت بخشهایی بدون ترک مدل میشود که در محل ترک با دو فنر خطی، یکی کششی و دیگری پیچشی، به هم متصل شدهاند. در نهایت با استفاده از روش نیمه تحلیلی تبدیل دیفرانسیل، فرکانس های طبیعی و شکل مودهای سیستم به دست میآیند. با انجام یک شبیهسازی عددی، تأثیر پارامترهای مختلف بر ضریب اصلاح ترک مطالعه میگردد. اعتبار روش ارائه شده با مقایسه نتایج آن با مقادیر موجود در سایر مقالات مورد بررسی قرار میگیرد که تطابق قابل قبولی بین نتایج مشاهده میشود.
This paper presents an analytical method for the application of piezoelectric patches to repair a rotating cracked beam. The beam equations of motion are obtained based on the Timoshenko beam theory including the effects of shear deformation and rotary inertia. The criterion applied for the repair is to modify the first natural frequency of the cracked beam towards that of the healthy beam applying a piezoelectric patch. Due to this, an external voltage is applied to actuate a piezoelectric patch bonded on the beam that decreases the effect of the crack on the vibration characteristics of the beam. First, the coupled equations of motion are discretized by applying the assumed modes method. Then, the cracked beam is modeled as numbers of healthy segments connected by two linear springs at the crack locations (one, extensional and the other, rotational). The compatibility requirements on the crack section and on the ends of the piezoelectric patch are considered to obtain the relationships between any two spans. Finally, applying the semi-analytical differential transform method, the natural frequencies and mode shapes of the system can be calculated. Numerical simulations are performed to assess the effects of different conditions on the repair moment coefficient. The presented model is validated by comparing the results with those available in the literature where, the natural frequencies are in a reasonably good agreement with the reported results.
https://mej.aut.ac.ir/article_1194_a4e31951863a9b487effee85bd14504e.pdf
اصلاح فعال
عملگر پیزوالکتریک
تیر تیموشنکوی ترکدار
تیر دوار
روش تبدیل دیفرانسیل
Active repair
Piezoelectric actuator
Cracked Timoshenko beam
Rotating beam
Differential transform method
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
109
118
10.22060/mej.2017.12691.5413
1399
Research Article
بررسی ارتعاشات آزاد ورق قطاعی تابعی مدرج دوبعدی کوپل با پیزوالکتریک مستقر بر بستر الاستیک دوپارامتری با استفاده از روش رایلی ریتز و تئوری مرتبه سوم تغییر شکل برشی
Free Vibration Analysis of Two-Dimensional Functionally Graded Annular Sector Plates with Piezoelectric Layers Resting on Two-Parameter Elastic Foundation
علی بخششی
ali.bakhsheshi.eng@iauctb.ac.ir
1
حسین مهبادی
h_mahbadi@iauctb.ac.ir
2
کوروش خورشیدی
k-khorshidi@araku.ac.ir
3
گروه مهندسی مکانیک، واحد تهران مرکزی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
گروه مهندسی مکانیک، واحد تهران مرکزی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه اراک، اراک، ایران
دراینمقالهارتعاشاتآزادورققطاعیتابعیمدرجدوبعدیکوپلباپیزوالکتریکبرمبنایتئوریمرتبهسومتغییر شکلبرشیمستقربربسترالاستیکدوپارامتریموردبررسیقرارگرفتهاست. تئوریمرتبهسومتغییرشکلبرشیورقبا وجودداشتنمعادلاتپیچیدهتربدلیلدرنظرگرفتنتاثیراتتغییرشکلبرشیعرضیواینرسیدورانیمنجربهحصولنتایج دقیقتریمیشود. تغییرخواصورقمدورتابعیدوبعدیبهصورتپیوستهدردوراستایضخامتومحیطدرنظرگرفتهشده استوبرایمدلسازیرفتارورقتابعیدوبعدیازمدلقانونتوانیکسرحجمیاستفادهشدهاست. بهمنظورتعیینپتانسیل الکتریکیلایههایپیزوالکتریکازتوابعسینوسیاستفادهشدهاستبهنحویکهمعادلهالکترواستاتیکیماکسولبوسیلهاین توابعارضامیشود. پسازتشکیلفانکشناللاگرانژینبوسیلهتفاضلانرژیهایجنبشیوپتانسیلورق،ازاصلهمیلتونو روشریتزبهمنظورتعیینمقادیرفرکانسطبیعیورقاستفادهشدهاست. درادامهپسازاعتبارسنجینتایجبامراجعمختلف برایحالتهایگوناگون،تاثیرپارامترهایورقازجملهزاویهقطاعورق،نسبتضخامتبهشعاعورق،ضریبتوانینسبت حجمیوضرایببستربررویفرکانسطبیعیسازهموردبحثوبررسیقرارگرفتهاست.
In this paper, free vibration analysis of two-dimensional functionally graded annular sector plates with two piezoelectric layers on elastic foundation using the Rayleigh-Ritz method is investigated applying the third order shear deformation theory of plates. Despite the existence of more complex equations, the third-order shear deformation theory of plates leads to more accurate results, this is due due to the effects of transverse shear deformation and inertial rotation,.The material properties of the annular plate is graded two-dimensionally in both of the circumferential and thickness directions. The volume fraction power law distribution is used to model the two dimensional functionally graded plate properties. The sinusoidal function is used to determine the electrical potential of the piezoelectric layers. The assumed potential function satisfies the Maxwell electrostatic equations. To obtain the natural frequencies of the plate, the Lagrangian function is defined by subtracting the kinetic and potential energies of the plate and then the Hamilton’s principle and the Ritz method is applied to obtain the natural frequencies of the plate. Finally, the results are validated by various references and the effect of various parameters including the sector angle, ratio of thickness to radius of the plate and foundation coefficients on the natural frequency of the structure has been discussed.
https://mej.aut.ac.ir/article_1399_f1da829ae6936de99fb5cf3387b7135f.pdf
ورق هایهای قطاعی
فرکانس طبیعی
روش ریلی ریتز
پیزوالکتریک
Sector plates
Natural frequency
Rayleigh-Ritz Method
Piezoelectric
Functionally graded materials
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
119
132
10.22060/mej.2017.12772.5474
1998
Research Article
تحلیل ناپایداری فروکشیدگی استاتیکی و ارتعاشات غیرخطی یک میکرو-تشدیدگر با مواد مدرج تابعی
Analysis of Static Pull-in Instability and Nonlinear Vibrations of an Functionally Graded Micro-Resonator Beam
سید محمدجواد موسوی
javad.mou@gmail.com
1
پیمان شریفی
peyman_sh.uni72@yahoo.com
2
حسین محمدی
h_mohammadi@shirazu.ac.ir
3
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران
بررسی رفتارهای استاتیکی و دینامیکی میکروتیرهای استفاده شده در تشدیدگرها و فیلترهای میکرو از اهمیت بالایی برخوردار است. در این مقاله به بررسی رفتار میکرو تشدیدگر مدرج تابعی تحت اثر نیروی الکترواستاتیک، نیروی بین مولکولی و تغییر یکنواخت دما، بر اساس تئوری تیر اولر-برنولی و کرنش غیر خطی گرین تحت فرضیات غیر خطی هندسی ون-کارمن پرداخته میشود. خواص مکانیکی مواد به کار رفته تابعی از دما هستند و خاصیت مدرج تابعی در راستای ضخامت با استفاده از توزیع نمایی در نظر گرفته میشود. معادلات حاکم بر رفتار ارتعاشی میکرو تیر با استفاده از اصل همیلتون و تئوری تنش کوپل اصلاح شده استخراج شده است. با اعمال روش گسسته سازی معادله غیر خطی دینامیک میکروتیر در حوزه زمان به دست میآید. برای مطالعه ناپایداری فروکشیدگی، معادله استاتیکی با استفاده از روش گلرکین مستقیم حل شده و اثر نیروی بین مولکولی، طول مشخصه و توان فازی ماده سرامیکی بررسی میشود. به منظور محاسبهی تغییر شکل استاتیکی و مد ارتعاشی میکروتیر از روش تربیع دیفرانسیلی استفاده میگردد. معادله دینامیکی با روش اختلال جزئی با مقیاس چندگانه حل شده و در حالت تشدید، تأثیر تغییر پارامترهای مختلف در پاسخ فرکانسی و ایجاد رفتارهای نرم شونده و سخت شونده مورد بررسی قرار میگیرد.
In This paper, the behavior of a functionally graded micro-resonator that is excited by thecombination of DC electrostatic force and AC harmonic force, Casimir force, the uniform temperaturechange is investigated based on the Euler-Bernoulli beam theory and the nonlinear von-Karman strain. Itis assumed that material properties follow exponential law distributions through the thickness direction.The principle of minimum total potential energy and the modified couple stress theory are used to derivethe nonlinear governing differential equation of micro-beam. Static differential equations are solvedby using the differential quadrature method. The effects of temperature change, material length scaleparameter and power distributions model on pull-in voltage are investigated. Applying perturbationmethod with multiple scales technique and numerical integration of the second order nonlinear ordinarydifferential equation, an approximation for the response of the micro-beam to the primary-resonanceexcitation is obtained.
https://mej.aut.ac.ir/article_1998_3de68d3883bfd5435166d75946383cff.pdf
تشدیدگر میکرو
تئوری تنش کوپل اصلاح شده
مواد مدرج تابعی
فرو کشیدگی
ارتعاشات غیرخطی
Modified Couple Stress Theory
Functionally graded materials
Electrostatic voltage
Pull-in
Nonlinear vibrations
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
133
146
10.22060/mej.2017.12919.5470
2628
Research Article
طراحی کنترلر فازی بهینه بهمنظور کنترل نیمهفعال ارتعاشات ساختمان چند طبقه با استفاده از یک مدل پارامتر گسترده و میراگرهای مگنتوریولوژیکال
Design of Optimal Fuzzy Controllers for Semi Active Vibration Suppression of MultiFloor Buildings Based on a Distributed Parameter Model and Magneto Rheological Dampers
نجمه علی اکبری
na_aliakbari@yahoo.com
1
حمید معین فرد
hamid.moeenfard@gmail.com
2
دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
هدف اصلی مقاله، ارائه کنترلر فازی بهینه به منظور کنترل ارتعاشات یک ساختمان پنج طبقه به کمک میراگرهای مگنتوریولوژیکال در اثر تحریک ناشی از زلزله است. بدین منظور معادلات حرکت ساختمان با استفاده از مدل با پارامتر گسترده استخراج شده است. در ادامه، بعد از به دست آوردن شکل مودهای ساختمان با روش المان محدود، برای هر طبقه از ساختمان یک میراگر مگنتوریولوژیکال در نظر گرفته میشود. به منظور دستیابی به قوانین کنترلر فازی، یک سیستم ساده یک درجه آزادی مورد بررسی قرار گرفته است و قوانین به دست آمده از شبیه سازی حلقه باز، به منظور استفاده در کنترل ارتعاشات ساختمان تعمیم مییابد. همچنین از مدل پیشنهاد شدهی اسپنسر برای تحلیل رفتار میراگر مگنتوریولوژیکال بهره گرفته شده است. بر اساس درک به دست آمده از عملکرد میراگر و همچنین با استفاده از قوانین فازی به دست آمده از شبیه سازی سیستم یک درجه آزادی، کنترلر فازی درجهت کاهش دامنه ارتعاشات ساختمان در برابر زلزله طراحی گردیده است. در انتها نیز از الگوریتم ژنتیک به منظور بهبود شاخصهای عملکرد کنترلر استفاده شده است. مقایسه نتایج به دست آمده از کنترل نیمه فعال با کنترلهای غیرفعال-بدون ولتاژ و غیرفعال-با ولتاژ، نشان میدهد که کنترلر فازی بهینه به خوبی دامنه ارتعاشات طبقات ساختمان را کاهش میدهد.
The main objective of this paper is to propose an optimal fuzzy controller for suppressing the resulting vibration of an earthquake in a five floor building facilitated with magneto rheological damper. To this end, by utilizing the Hamilton’s principle, equations of motion of the system are derived based on a distributed parameter model. The mode shapes of the system are found by finite element simulations. A magneto rheological damper is used for each floor. To find the rule base of the fuzzy controller, a single degree of freedom vibratory system is considered and the rules derived from open loop simulations are utilized for controlling the vibration of the building. Spencer’s model is employed for analyzing the behavior of the magneto rheological damper. By recognizing the magneto rheological damper behavior as well as having the rule based obtained from single degree of freedom simulations, a fuzzy controller is designed to suppress the vibration of the building. Finally, the genetic algorithm is used to improve the performance of the proposed controller. Comparing the results of semi-active vibration control with passive-on and passive-off control strategies reveals that the suggested fuzzy controller can effectively reduce the amplitude of the vibration of the building.
https://mej.aut.ac.ir/article_2628_676c5209d4f47a3da6d09d16d81be036.pdf
کنترل ارتعاشات نیمهفعال
ساختمان چند طبقه
میراگرهای مگنتوریولوژیکال
سیستم پارامتر گسترده
کنترلر فازی
Semi-active vibration control
Multi-floors Building
Magneto rheological dampers
Distributed param
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
147
156
10.22060/mej.2017.12468.5346
1025
Research Article
پایداری پره چرخان سرعت متغیر با در نظر گرفتن حرکت عرضی خارج از صفحه
Stability of a Blade with Varying Rotation Speed by Considering the Lagging Motion
هادی آروین
hadi.arvin@eng.sku.ac.ir
1
دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران
در این مقاله تشدید پارامتری اصلی در پره های چرخان سرعت متغیر بررسی می گردد. در مدل مورد بررسی وابستگی حرکت های عرضی خارج از صفحه-محوری ناشی از نیروی کریولیس در نظر گرفته شده است. معادلات حرکت حاکم، معادلات موجود در مقالات بر اساس فرمولاسیون دقیق هندسی برای پرههای بدون اثر تغییرشکل برشی می باشد. سرعت چرخش پره دارای مقدار میانگین ثابت در نظر گرفته شده، که این سرعت ثابت با تغییرات هارمونیک کوچکی مختل شده است. فرکانس تغییرات این اغتشاش وارد شده، دو برابر یکی از فرکانس های طبیعی عرضی خارج از صفحه و یا محوری پره در نظر گرفته شده است و بدین ترتیب باعث تشدید پارامتری اصلی خواهد گردید. روش مستقیم مقیاس های چندگانه جهت مطالعه ی ناپایداری دینامیکی ایجاد شده توسط تشدید پارامتری اصلی به کار گرفته شده است. با استفاده از روش مقیاس های چندگانه، رابطه ای بسته جهت مشخص نمودن مرز منطقه ی پایداری تحت شرایط تشدید پارامتری اصلی، به دست آمده است. نتایج حاضر با نتایج موجود در مقالات مقایسه و اعتبارسنجی شده است. پس از اعتبار سنجی نتایج، مطالعه ی موردی جهت شفاف سازی اثر سرعت چرخش و شماره ی مود بر منطقه ی پایداری پارامتری، انجام پذیرفته است.
Principal parametric resonance in rotating blades with varying rotating speed is investigated in this paper. In the presented model, the lagging-axial coupling motion due to Coriolis force is considered. The governing equations of motion are the available equations in the literature based on the exact geometrical formulation for unshearable blades. The rotating speed of the blades is considered as a mean value perturbed by a small harmonic variation. The variation frequency of the perturbed value is considered twice the one of the lagging frequencies and/or one of the axial frequencies which causes the principal parametric resonance. The direct method of multiple scales is implemented to study the dynamic instability produced by the principal parametric resonance. A closed form relation which defines the stability region boundary under the condition of the principal parametric resonance is derived using the method of multiple scales. The current results are validated by comparison with the available results in the literature. After validation of the results, a comprehensive study has been adjusted for illustration of the rotating speed effects and mode number influences on the parametric stability region.
https://mej.aut.ac.ir/article_1025_dd3d0757c1b859800ebef5241fa5240c.pdf
تشدید پارامتری اصلی
روش مقیاسهای چندگانه
پره های چرخان
فرمولاسیون دقیق هندسی
نیروی کریولیس
Principal Parametric Resonance
Method of Multiple Scales
Rotating blades
Exact geometrical formulation
Coriolis force
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
157
168
10.22060/mej.2017.12458.5343
973
Research Article
مدل سازی ریاضی و تحلیل تشدید در نوسان کننده های برخوردی
Mathematical Modelling and Resonance Analysis in Impact Oscillators
علی ابراهیمی ممقانی
a.ebrahimimamaghani@gmail.com
1
روح اله حسینی
r.hosseini.mech@gmail.com
2
باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
نوسان کنندههای دوطرفه نوسان گرهایی هستند که خاصیت ارتجاعی آنها در فشار و تنش، فنریتهای متفاوتی دارند. در این مقاله یک مورد خاص از نوسان کننده دوطرفه، یعنی نوسان کننده برخوردی که سختی فشردگی آن نامحدود است، بررسی میشود و مجموعه ویژه زمانهای برخورد که مجموعه راه حل معادله همگن )نوسان کننده بدون نیروی تحریک( هستند، تحلیل میشوند. این مجموعه و زیرمجموعههای آن با توجه به تنوع شرایط اولیه پایدار هستند. معادلات دینامیکی این نوسانگر با در نظر گرفتن مبدأ به عنوان نقطه گذر ناگهانی، به صورت نیمه تحلیلی و همچنین با روش عددی رانگ کوتای مرتبه چهارم تحلیل غیرخطی شده اند. به علاوه، در میان همه مجموعههای متناوب زمانهای برخورد متناسب با دوره نیروی تحریک، مجموعه ویژه تنها موردی است که میتواند تشدیدها مخصوصاً تشدیدهای چندهارمونیکی را پشتیبانی کند. بقیه تشدیدها نیز باید مجموعههای غیرمتناوب زمانهای برخورد را تولید کنند. این پدیده نشان میدهد فرض معمول که زمانهای بین برخوردها با دوره نیروی تحریک متناسب هستند، همیشه برقرار نیست. همچنین نشان داده خواهد شد که برای اولین تشدید نی مهارمونیک مجموعه زمانهای برخورد نزدیک به مجموعه ویژه است و پوش نوسانها در این تشدید، برخلاف افزایش خطی تشدیدهای چندهارمونیک به صورت مجذور ریشه زمان است.
A variety of mechanical phenomena can be simulated by modeling bilinear oscillators which have different stiffness in pressure and tension. In this paper, bilinear oscillators with unlimited stiffness in compression say impact oscillators, and the eigenset which is homogenous solution of equation without external load are investigated. The results show that this set and the corresponding subsets are stable with respect to variation in initial conditions. In addition, among all periodic collections of impact times which are proportional to the period of external load, only the eigenset can support resonance, especially the multi-harmonic resonance. The rest of the resonances should produce the nonperiodic impact times. This phenomenon shows that the usual assumption that the times between impacts are proportional to the period of external load is not always confirmed. Furthermore it is shown that in half frequency of the main resonance (the first sub-harmonic resonance), the impact times are close to the eigenset and unlike linear increase of multi-harmonic resonances, the envelope of the oscillations increases as a square root of time.
https://mej.aut.ac.ir/article_973_93944f04971eff5b084679a9ba8c4aac.pdf
نوسان گر دوطرفه
نوسان کننده برخوردی
زمان برخورد
مجموعه ویژه
تشدید چندهارمونیکی
پوش نوسان
Bilinear oscillator
impact oscillator
Impact times
eigenset
multi-harmonic resonance
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
169
179
10.22060/mej.2017.12868.5453
1189
Research Article
طراحی مسیر بهینه کوادروتور برمبنای کمینه گشتاور
Optimal Trajectory Planning of a Quadrotor Based on Minimum Effort
حمیدرضا حیدری
hr.heidari@malayeru.ac.ir
1
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه ملایر، همدان، ایران
طراحی بهینه مسیر حرکت ربات های پرنده با توانایی بالقوه در نقش هبرداری و عملیات تجسس منجر به بهبود در عملکرد آ نها میشود. از این رو هدف از این مقاله، طراحی مسیر بهینه یک ربات کوادروتور بر مبنای حداقل سازی گشتاور موتورها در حرکت نقطه به نقطه میباشد. ابتدا معادلات دینامیکی حرکت کوادروتور با استفاده از روش نیوتن به فرم فضای حالت استخراج میشوند. سپس بهینه سازی مسیر حرکت براساس حل غیرمستقیم مسأله کنترل بهینه ارائه میشود. بدین منظور با استفاده از اصل مینیمم پونتریاگن و استخراج تابع همیلتون؛ شرایط لازم بهینگی با توجه به محدودیت گشتاور اعمالی موتورها به دست میآید. معادلات به دست آمده یک مسأله مقدار مرزی را تشکیل میدهند که با حل این معادلات میتوان به جواب بهینه دست یافت. در نهایت به منظور بررسی کارایی روش پیشنهادی، شبیه سازی عددی برای یک کوادروتور انجام میشود و مسیر بهینه بر اساس تابع هدف کمینه گشتاور برای آن طراحی میگردد. نتایج شبیه سازی قدرت روش و توانایی آن برای حل مسائل پیچیده نظیر طراحی مسیر حرکت کوادروتورها را نشان میدهد.
The optimal design of path planning for unmanned aerial vehicles with many potential applications ranging from mapping to supporting rescue operations will improve their performance. Hence, the aim of this paper is to determine the optimal trajectory of quadrotor robot based on minimizing engine torque in point-to-point motion. First, the dynamic equations of quadrotor motion are derived in state space form by using Newton’s method. In this investigation, the computational method to solve the trajectory planning problem is based on the indirect solution of open-loop optimal control problem. The Pontryagin’s minimum principle (PMP) is used to obtain the optimality conditions, which is lead to a standard form of a two-point boundary value problem. Finally, to evaluate the efficacy of the proposed method, numerical simulation is performed for a quadrotor and the optimal trajectory is designed based on minimize torque. The results illustrate the power and efficiency of the method to overcome the high nonlinearity nature of the problem such as path optimization of multi-rotor helicopters (tri, quad, hexa, octa, etc.).
https://mej.aut.ac.ir/article_1189_9b767e4205038c0cf4fdfe54b22f3eac.pdf
طراحی مسیر
کوادروتور
کنترل بهینه
کمینه گشتاور
path planning
Quadrotor
Optimal control
minimum effort
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
180
186
10.22060/mej.2018.13148.5549
2796
Research Article
تعیین سرعتهای بحرانی و مرزهای ناپایداری واگرایی برای یک سیستم سیارهای دومارپیچ سرعت بالا
Determination of Critical Speeds and Divergence Instability Boundary for a High- Speed Double- Helical Planetary Gear System
محمد کریمی خوزانی
md_karimi2006@yahoo.com
1
مهرداد پورسینا
mehrdad.poursina@gmail.com
2
علی پورکمالی انارکی
ali_pourkamali@srttu.edu
3
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران
سیستمهای سیارهای سرعت بالا، یا به عبارت کلیتر، سیستمهای ژیروسکوپی، پایستار انرژی نمیباشند، بنابراین در معرض ناپایداری قرار دارند. در این تحقیق پس از استخراج معادلات دینامیکی حاکم بر سیستم سیارهای دومارپیچ در فضای سه بعدی و با در نظر گرفتن شش درجه آزادی برای هر عضو به بررسی پایداری در محدوده سرعتهای بحرانی سیستم پرداخته میشود. در استخراج معادلات، سفتی درگیری به صورت ثابت فرض شده و اثرات ژیروسکوپی ناشی از دوران بازو در نظر گرفته میشود. سرعتهای بحرانی سیستمهای ژیروسکوپی در سرعتهایی رخ میدهد که در آن یک یا تعداد بیشتری از فرکانسهای طبیعی سیستم برابر صفر میشود. برای محاسبه سرعتهای بحرانی، مسأله مقدار ویژه سیستم از طریق روشهای عددی حل میگردد. به منظور صحت سنجی معادلات و همچنین روند استخراج سرعتهای بحرانی سیستم، نتایج استخراج شده برای یک سیستم سیارهای ساده سرعت بالا با نتایج تحقیق موجود در این زمینه مقایسه میگردد. در پایان با رسم نمودارهای مربوط به تغییرات قسمتهای حقیقی و موهومی مقادیر ویژه سیستم سیارهای دومارپیچ در مقابل بازهای از سرعتهای بازو، پایداری سیستم در نزدیکی سرعتهای بحرانی مورد بررسی قرار میگیرد. نتایج تحقیق حاضر نشان میدهد که سیستم سیارهای دومارپیچ در بعضی از سرعتهای بحرانی پایدار و در برخی دیگر در معرض ناپایداری واگرایی قرار دارد.
High-speed planetary gears, or more generally, gyroscopic systems are not preserve energy and therefore subjected to instability. In this research, the dynamic equations for double- helical planetary gear system in 3-D space and considering 6-DOF for each member are extracted. Then, the system stability in the range of critical speed is investigated. In the extraction of equations, the constant mesh stiffness is assumed and the gyroscopic effects due to rotating carrier are considered. The critical speeds of gyroscopic systems occur at speeds in which one or more natural frequencies are zero. To calculate the critical speeds, the eigenvalue problem of the system is solved by numerical methods. In order to validate the equations and the process of extraction of critical speed, the obtained results for a high-speed spur planetary gear system are compared with the results of the existing research. Finally, by plotting the variations of the real and imaginary parts of the Eigenvalues of the double-helical planetary gear system versus a range of carrier speeds investigate the system stability near critical speeds. The results of the current study indicate that the double- helical planetary gear system is stable at some critical speeds and in others subjected to divergence instability.
https://mej.aut.ac.ir/article_2796_5ed16f980ff78a8fc3cfa2b51a807cb7.pdf
سرعتهای بحرانی
ناپایداری واگرایی
سیستم سیارهای دومارپیچ
اثرات ژیروسکوپی
سرعت بالا
Critical speeds
Divergence instability
Double- helical planetary gear system
Gyroscopic effects
High- speed
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
187
200
10.22060/mej.2017.12653.5387
1999
Research Article
شناسایی مدل نیروی تایر بر پایه داده های دستگاه آزمایش مقیاس شده جدید بهمنظور طراحی کنترل کنندهی غیر خطی لغزش طولی
Identification of Tire Force Model Using Experimental Data of a New Scaled Test Rig for Design of Nonlinear Slip Controller
سجاد آقاسی زاده شعرباف
s_aghasizade@sut.ac.ir
1
مهدی میرزائی
mehdi-mirzaei@hotmail.com
2
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند، آذربایجان شرقی، ایران
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند، آذربایجان شرقی، ایران
در این مقاله به شناسایی مدلهای مناسبی از نیروهای اصطکاک طولی تایر به صورت آزمایشگاهی پرداخته میشود . بدین منظور یک وسیله آزمایشگاهی در مقیاس کوچک ساخته شده که در آن یک چرخ کوچک با یک دیسک دوار سنگین درگیر است و نیروهای اصطکاکی بین چرخ و دیسک برحسب لغزش اندازه گیری میشوند. در شناسایی مدلها، از سرعت زاویه ای، لغزش و نیروی عمودی به عنوان ورودی و از نیروهای طولی که توسط سنسورها اندازه گیری میشوند به عنوان خروجی استفاده میشود. دادههای تجربی مورد نیاز برای شناسایی به وسیله سنسورهای نیرو و جابه جایی زاوی های جمع آوری شده و پارامترهای مربوط به مدل نیروها با روش حداقل مربعات غیرخطی محاسبه میشوند. مدلهای شناسایی شده با دادههای آزمایشگاهی دیگری که در شناسایی استفاده نشدهاند، ارزیابی میشوند. نتایج نشان میدهد که مدلهای شناسایی شده ، خروجی دستگاه را بخوبی ردیابی میکند که در این میان، به ترتیب مدلهای مبتنی بر مدلهای داگوف، فیالا و شبه خطی کمترین میزان خطا را داراند. به عنوان یک نتیجه ی کاربردی، دینامیک غیرخطی دستگاه که شامل مدل نیروی شناسائی شده، مشخصات ابعادی و گشتاورهای ترمزی در مکانیزم واقعی است، شبیه سازی شده و در ادامه عملکرد سیستم ترمز ضدقفل با طراحی یک کنترل کنندهی غیرخطی مبتنی بر مدل مذکور بررسی میشود.
In this paper, three models for tire friction force are identified using experimental data of scaled test rig. In this setup, a scaled tire is forced to be in contact with a high inertia disk and the friction force between the tire and disk is measured in terms of the slip during braking. For identification of the models, tire’s rotational speed, tire’s slip and tire’s normal force are used as the inputs and the tire’s longitudinal force is considered as the output. The experimental data required for identification are collected by force and rotational displacement sensors. By using the measured data, the parameters of tire friction force models are calculated using nonlinear least square method. The identified models are evaluated by data not used in the identification process. The results show that the identified models follow the system outputs with acceptable errors. Among the identified models, the Dugoff model has the better accuracy compared with the Fiala and semi-linear models. As an application, a nonlinear dynamic model of the setup including the identified friction force model is employed to design a nonlinear controller for anti-lock braking system.
https://mej.aut.ac.ir/article_1999_07202020876ce4c3dea3924e49b27575.pdf
شناسایی
نیروهای اصطکاکی
لغزش طولی
روش کمترین مربعات غیرخطی
ترمز ضد قفل
Identification
Tire friction force
Longitudinal slip
Least square method
Anti-lock braking system
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
201
214
10.22060/mej.2017.12359.5329
2656
Research Article
شناسایی مدل غیر خطی آیرودینامیک هواپیما در مانور اسپین با استفاده از مدل چند نقطهای توسعه یافته
Airplane Nonlinear Aerodynamic Model Identification in Spin Maneuver by Using Extended Multi Input Approach
میرابوالفضل مختاری
s.abolfazl.mokhtari@aut.ac.ir
1
مهدی سبزه پرور
sabzeh@aut.ac.ir
2
دانشکده مهندسی هوا فضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
دانشکده مهندسی هوا فضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
در این تحقیق مدل آیرودینامیکی چند نقطه ای توسعه یافته بر پایه تئوری استریپ برای محاسبه و تخمین پارامترهای پروازی در رژیم پروازی کاملاغیر خطی اسپین که توام با زاویه حمله بالا و نیز نرخ چرخش بالا می باشد، ارایه می گردد. برای فرآیند شناسایی، تکنیک تخمین استفاده شده رگرسیون حداکثر شباهت با دیدگاه خطای معادله می باشد. هدف از این مطالعه استخراج مدل ریاضی آیرودینامیک غیر خطی مناسب برای پدیده اسپین که از غیر خطی ترین و غیر قابل پیش بینی ترین مانورهای پروازی است، می باشد. از آنجایی که در پدیده اسپین رفتار هر سطح از هواپیما متفاوت با سطح دیگر است، مزیت مدل استخراج شده با استفاده از دیدگاه مدل سازی چند نقطه ای در این است که به هر نیروی آیرودینامیکی تولید شده توسط هر سطح جداگانه اجازه می دهد تا بطور مستقل در رابطه نیرو و گشتاور کل شرکت کند بجای آنکه مقدار میانگینی با توجه به موقعیت مرکز جرم در نظر گرفته شود. مدل استخراج شده به دو ست داده های واقعی اندازه گیری شده از پرواز تست اسپین اعمال شده و نتایج نشان دهنده تولید دوباره نیروها و گشتاورهای تولید شده در یک مانور اسپین دیگر با دقت بسیار بالا تر در مقایسه با روش بسط سری تیلور و نیز مدل چند نقطه ای ساده می باشد.
In this paper application of the multipoint aerodynamic model for parameter estimation in spin maneuver as a high-angle-of-attack and high-angular-rate fight regime was concentrated. The identification technique used to illustrate the approach is maximum likely hood with the equation error approach. The multipoint model comprises a set of new parameters describing the aerodynamic force distribution along individual surface components of the aircraft so using this method will be useful for spin aerodynamic modelling. The aim of this study is to demonstrate that this model allows coupling among the three force and three moment components, this means that the parameters associated with the six-component equations are thus treated simultaneously. Another advantage of this approach is that the model allows each individual force generating surface element of the aircraft to contribute independently to the total force and moment rather than some average of these contributions relative to the center of mass. The method is applied to measurements from spin fight test data conducted with a light general aviation aircraft and the results compared with conventional aerodynamic model. The results indicate that the method is capable of reproducing, with reasonable accuracy, the force and moment measurements obtained from a fight other than the one used in the parameter estimation.
https://mej.aut.ac.ir/article_2656_55b702e3ab40f22a3d001e756c83449a.pdf
مانور اسپین
مدل آیرودینامیکی
مدل چند نقطهای
خطای خروجی
Spin maneuver
Aerodynamic model
Multi input model
output equation error
per
دانشگاه صنعتی امیرکبیر
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
2008-6032
2476-3446
2019-04-21
51
1
215
224
10.22060/mej.2017.11983.5236
3496
Research Article
تحلیل الکترومکانیک استوانه چرخان ساخته شده از مواد پیزوالکتریک مدرج تابعی به کمک نظریه تغییر شکل برشی مرتبه بالا: حسگر و عملگر
Electro-mechanical Analysis of Rotating Cylinder Made of Functionally Graded Piezoelectric Materials: Sensor and Actuator
مهدی جباری
smehdi.jabbari@gmail.com
1
محمد زمانی نژاد
m_zamani@yu.ac.ir
2
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران
در این مقاله بر مبنای نظریه تغییرشکل برشی مرتبه بالا، معادلات الکتروالاستیک حاکم بر استوانههای جدار ضخیم متقارن محوری ساخته شده از مواد ناهمگن مدرج تابعی در حالت کلّی استخراج شده است. جابه جاییها، تن شها و پتانسیل الکتریکی برای استوانه با دو سر بسته مقید، به صورت تحلیلی به دست آمده است. این راهکار منجر به تعریف فرمولاسیون جدید برای تحلیل پوستههای جدار ضخیم بر پایه نظریه تغییرشکل برشی شده است. معادلات تعادل مکانیکی به روش انرژی به دست آمد و برای یافتن معادلات تعادل الکتریکی از معادلات ماکسول و گاوس استفاده شد. حل معادلات حاکم در حالت عمومی )مستقل از مرتبه نظریه تغییرشکل برشی( به صورت کوپل مکانیکی-الکتریکی و با استفاده از روش بردارهای ویژه ارائه شد. در این بررسی تمامی خواص الکترومکانیک در راستای شعاعی به صورت تابع توانی فرض شده است. به منظور بررسی صحت نتایج، جابه جایی شعاعی، پتانسیل الکتریکی و تنش شعاعی استوانه جدار ضخیم همگن با نظریهی الاستیسیته مستوی مقایسه و شباهت ها نشان داده شده است. به منظور بررسی تأثیر افزایش مرتبه نظریهی تغییرشکل برشی بر مقادیر جابهجاییها، تنشها و پتانسیل الکتریکی، مقایسهای بین نتایج حاصل از نظریهی تغییرشکل برشی مرتبه اول و سوم صورت گرفته است. نتایج نشان میدهد که استفاده از تقریب مرتبه بالا برای تحلیل الکتروالاستیک پوستههای استوانهای ساخته شده از مواد پیزوالکتریک مدرج تابعی ضروری است. در انتها با بهرهگیری از روش ارائه شده، تأثیر بارگذاریهای الکتریکی و مکانیکی بر رفتار تنشها، جابه جاییها و توزیع پتانسیل الکتریکی سیلندر بررسی شده است.
In this paper, based higher shear deformation theory, electro-elastic equation of functionally graded material axisymmetric thick-walled cylinders in general form is presented. The displacements, stresses and electrical potential in clamped-clamped cylindrical shells analytically are calculated. The presented approach leads to the definition of new formulation to study thick shells based on shear deformation theory. The mechanical equilibrium equation obtained by energy method and for finding electrical equilibrium equation used Maxwell and Gauss equations. The governing equation solved in general form (independent of the order of shear deformation theory) by the coupled electro-mechanical using eigen vectors In this study, all mechanical and electrical piezoelectric material properties, were considered to follow an identical power law in the radial direction. The results obtained in the present paper have been compared with findings of plane elasticity theory. For investigating the effect of higher order approximations on displacements and stresses and electrical potential, a comparison between the results of first and third-order shear deformation theory have been studied. The numerical results show that the higher-order approximations must be applied in electro-elastic analysis of cylindrical shells made of functionally graded piezoelectric material. Finally, some numerical results are presented to study the effects of mechanical and electrical loading on the stresses, displacements and electrical potential of the cylinder.
https://mej.aut.ac.ir/article_3496_1aa0101c70dda7be8a7348c478393e9f.pdf
تحلیل الکتروالاستیک
پوسته استوانهای چرخان
نظریه تغییر شکل برشی
مواد مدرج تابعی
مواد پیزوالکتریک
Electromechanical analysis
rotating cylindrical shell
Shear deformation theory
Functionally graded material
Piezoelectric material