دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 55 12 2024 02 20 A novel objective function for path generation synthesis of the four-bar mechanism with prescribed timing تابع هدف نوین در سنتز تولید مسیر مکانیزم چهارمیله‌ای با زمان‌بندی معین 1397 1422 5368 10.22060/mej.2024.22792.7677 FA عباس مکبری دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران، مصطفی نظری دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران، سید مجتبی واردی کولایی دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران، 0000-0002-7427-2127 Journal Article 2023 11 08 Dimensional synthesis of the four-bar mechanisms, as the simplest and most widely used linkage, is always one of the main issues raised in the field of mechanism design. In the past, geometric and graphical analysis methods were used to design these mechanisms, but with the advancement of technology in recent decades, numerical optimization methods and meta-heuristic algorithms have been utilized more. Moreover, it is possible to solve problems more precisely and consider a higher number of precision points. The path generation synthesis problem of this mechanism has been solved using different algorithms and in different design modes, including with and without prescribed timing. The synthesis problem with prescribed timing is more difficult and has a higher path generation error. In this research, to solve the path generation synthesis problem of the four-bar mechanism with prescribed timing, a novel objective function is utilized. The proposed function includes two terms, path error and angle error. This new objective function leads to a lower error for path generation with prescribed timing. Four different designs are considered and their results, where extracted by the PSO algorithm, are compared. The results of solving this problem for three numerical examples show that the design in the proposed way, has fewer path generation errors. مساله طراحی مکانیزم‌های چهارمیله‌ای، به عنوان ساده‌ترین و پرکاربردترین مکانیزم میله‌ای، همواره یکی از مسائل اساسی مطرح‌شده در حوزه طراحی مکانیزم می‌باشد. امروزه با پیشرفت تکنولوژی و ابداع روش‌های بهینه‌سازی عددی و الگوریتم‌های فراابتکاری، امکان حل دقیق و بهینه مسائل با تعداد نقاط دقت بسیار بالا نیز فراهم شده است. سنتز تولید مسیر این مکانیزم نیز با استفاده از الگوریتم‌های بهینه‌سازی مختلف و در حالت‌های متنوع طراحی حل شده است. برای درنظر گرفتن سرعت مکانیزم در عبور از نقاط دقت، مساله سنتز با زمان‌بندی معین در نظر گرفته می‌شود، که این مساله نسبت به مساله بدون زمان‌بندی معین سخت‌تر بوده و دارای خطای تولید مسیر بالاتری می‌باشد. در این پژوهش، برای حل مساله سنتز تولید مسیر مکانیزم چهارمیله‌ای با زمان‌بندی معین از تابع هدف جدیدی استفاده می‌شود که شامل دو جمله، خطای مسیر و خطای زاویه‌گیری، می‌باشد. استفاده از این تابع هدف جدید موجب کاهش خطای تولید مسیر برای مساله با زمان‌بندی معین می‌شود. برای رسیدن به تابع هدف مدنظر، چهار حالت مختلف طراحی در نظر گرفته شده و نتایج آن‌ها، که با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات استخراج شدند، با هم مقایسه می‌شوند. نتایج حل این مساله برای سه مثال عددی با تعداد نقاط دقت مختلف نشان می‌دهد طراحی در حالت چهارم، که براساس تابع هدف جدید می‌باشد، نسبت به همه حالات قبلی خطای تولید مسیر کمتری دارد.

https://mej.aut.ac.ir/article_5368_f461285987ddc0629f8a4ab6477642b5.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 55 12 2024 02 20 Investigating Noise Reduction in Signal Analysis in Rotary Machines Fault Diagnosing by Neural Network بررسی کاهش نویز در تحلیل سیگنال در عیب‌یابی ماشین‌های دوار توسط شبکه عصبی 1423 1442 5374 10.22060/mej.2024.22469.7629 FA حامد پورهاشم دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، گیلان، ایران علی جمالی دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، گیلان، ایران نادر نریمان زاده دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، گیلان، ایران علی چائی بخش دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، گیلان، ایران 0000-0001-9529-1784 Journal Article 2023 06 12 Fault diagnosis of mechanical systems is of special importance for better system performance as well as its protection. In this work, a rotary machine laboratory system is used to generate signals. The obtained data are placed in the pre-processing process. In this article, to improve the performance of signal analysis, the combined analysis methods using signal features and Kalman filter are proposed. First, the Kalman filter is used to reduce the signal noise. In the following, for signal pre-processing, the features of the signal in the time domain and frequency domain are suggested, which have been used as one-dimensional signal pre-processing. In the following, several neural networks such as support vector machine, multilayer perceptron, and convolutional neural networks have been used to analyze the obtained features. To check the results, the data is divided into training data and validation data. Accuracy results for validation data are examined in different methods. The results indicate the better performance of the AlexNet convolutional neural network in the presence of the Kalman filter noise reduction. In this case, this network has reached an average of 96.1% accuracy for validation data, which has been improved compared to other classifiers and fault diagnosis without noise reduction. عیب‌یابی سیستم‌های مکانیکی برای عملکرد بهتر سیستم و همچنین محافظت از آن، دارای اهمیت ویژه‌ای می‌باشد. در این پژوهش از یک سیستم آزمایشگاهی ماشین دوار برای تولید سیگنال استفاده شده است. داده‌های بدست آمده در فرآیند پیش‌ پردازش قرار می‌گیرند. در این مقاله برای بهبود عملکرد تحلیل سیگنال روش ترکیبی تحلیل توسط ویژگی‌های سیگنال و فیلتر کالمن پیشنهاد می‌شود. ابتدا برای کاهش نویز سیگنال‌ها از فیلتر کالمن استفاده می‌شود. و در ادامه برای پیش پردازش سیگنال ویژگی‌های سیگنال در حوزه زمان و حوزه فرکانس پیشنهاد می‌شود که از آن به عنوان پیش‌پردازش یک بعدی سیگنال استفاده شده است. در ادامه برای تحلیل ویژگی‌های بدست آمده از کلاس‌بندهای ماشین بردار پشتیبان، شبکه عصبی پرسپترون چند لایه و شبکه عصبی پیچشی استفاده شده است. برای بررسی نتایج داده‌ها به دسته داده‌های آموزشی و داده‌های صحت سنجی تقسیم‌بندی می‌شود. نتایج دقت برای داده‌های صحت سنجی در روش‌های مختلف مورد بررسی قرار می‌گیرد. نتایج حاکی از عملکرد بهتر شبکه عصبی پیچشی الکس‌نت در حضور فرآیند کاهش نویز با فیلتر کالمن می‌باشد. این شبکه به طور میانگین به دقت 96/1 درصد برای داده‌های صحت سنجی رسیده است که نسبت به سایر کلاس‌بندها و همچنین نسبت به عیب‌یابی بدون کاهش نویز، دقت آن بهبود یافته است.

https://mej.aut.ac.ir/article_5374_90610aa0e24f63ec6d2637e06f9b9af2.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 55 12 2024 02 20 Simulation and optimization of surface roughness and cutting force in dynamic ploughing process of single crystal copper using molecular dynamics method شبیه‌سازی و بهینه‌سازی کیفیت سطح و نیروهای براده‌برداری فرایند نانوشخم زنی دینامیکی مس تک بلوری با استفاده از روش دینامیک مولکولی 1443 1464 5377 10.22060/mej.2024.22666.7657 FA حجت اله طواری دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران محمد مهدی جلیلی بهابادی دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران Journal Article 2023 09 11 Surface roughness is one of the most important characteristics in nano machining products. In this paper, using molecular dynamics simulation in LAMMPS software, the process of dynamic nano ploughing of the single-crystal copper workpiece is investigated by a diamond tool, and the quality of the production surface and cutting forces were investigated as two target parameters. The effect of parameters of the dynamic nano-ploughing process such as depth of cut (DOC), amplitude (R), and frequency (ω) of cutting tool vibration on cutting force and surface roughness has been investigated by calculating average roughness (Ra). Also, in order to more closely examine the effect of parameters and their interaction with each other, the Taguchi method has been used to design experiments. The simulation results show that the characteristics of cutting depth, amplitude, and frequency of cutting tool vibration have the greatest effect on surface smoothness and cutting forces, respectively. Based on the presented results, it has been determined that the surface roughness can be improved in different machining conditions based on the selection of parameters, and it is necessary to check their conditions together well before selecting these parameters. Also, finally, by using the Taguchi method, the optimal values of dynamic ploughing parameters were obtained to achieve the best surface smoothness and the lowest cutting force in certain dimensions as described by DOC=2.5 Å, R=0.1 Å, and ω=50 KHz. زبری سطح از جمله مشخصه‌های بسیار مهم در محصولات نانوبراده‌برداری می‌باشد. یکی از پارامترهایی که همواره تأثیر زیادی بر کیفیت سطح داشته، نیروهای ناشی از فرایند نانوبراده‌برداری می‌باشد. در این پژوهش، با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی در نرم‌افزار لمپس، فرایند نانوشخم‌زنی دینامیکی قطعه کاری از جنس مس تک بلوری به وسیله ابزاری از جنس الماس بررسی شده و کیفیت سطح تولیدی و نیروهای براده‌برداری به عنوان دو پارامتر هدف مورد بررسی قرار گرفته است. اثر پارامترهای فرایند نانوشخم‌زنی دینامیکی همچون عمق براده‌برداری، دامنه و فرکانس نوسان ابزار براده‌برداری بر روی نیروی براده‌برداری و زبری سطح با محاسبه زبری میانگین بررسی شده است. همچنین به منظور بررسی دقیقتر تأثیر پارامترها و اثر متقابل آنها بر یکدیگر از روش تاگوچی برای طراحی آزمایش‌ها استفاده شده است. نتایج شبیه‌سازی نشان داده است که به ترتیب مشخصه‌های عمق براده‌برداری، دامنه و فرکانس نوسان ابزار براده‌برداری بیشترین تأثیر بر روی زبری سطح و نیروهای براده‌برداری دارند. براساس نتایج ارائه گردیده، مشخص شده است که زبری سطح در شرایط ماشین‌کاری مختلف بر اساس انتخاب پارامترها می‌تواند بهبود یابد و لازم است قبل از انتخاب این پارامترها، شرایط آنها در کنار یکدیگر به خوبی بررسی گردند. همچنین، در نهایت با استفاده از روش تاگوچی، مقادیر بهینه پارامترهای شخم‌زنی دینامیکی برای دستیابی به بهترین صافی سطح و کمترین نیروی براده‌برداری در ابعاد مشخص به شرح عمق براده‌برداری 2/5 آنگستروم، دامنه نوسان 0/1 آنگستروم و فرکانس نوسان 50 کیلوهرتز بدست آمد.

https://mej.aut.ac.ir/article_5377_23451391cd1399019fa0421129066bc6.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 55 12 2024 02 20 Leader Following and Multiple Obstacle Avoidance of Autonomous Vehicle with Steering-Wheel and Driving-Wheel Torques Using Path Planning and Model Predictive Control تعقیب ربات رهبر و اجتناب از موانع متعدد توسط خودرو خودران با گشتاورهای محرک چرخ و فرمان و با استفاده از طراحی مسیر و کنترل ‌‌پیش‌‌بین مدل 1465 1482 5386 10.22060/mej.2024.22517.7638 FA حامد کوهی گیلوان دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت، ایران اسماعیل سلحشور گروه مهندسی مکانیک، واحد ایذه، دانشگاه آزاد اسلامی، ایذه، ایران Journal Article 2023 06 28 This paper studies the autonomous vehicle leader following and collision avoidance problem. In this paper, like as a real vehicle, geometric dimensions, mass, and moment of inertia are considered for the vehicle; steering-wheel and driving-wheel torques are the two control inputs. The nonlinear dynamics equation of the vehicle is derived. At first, an algorithm is proposed for changing the direction of the vehicle to follow the leader, then the suitable path for multiple obstacle avoidance and leader following is proposed, and then a nonlinear model predictive controller (MPC) is used to follow the reference trajectory. The desired trajectory is designed according to the elastic band method which is a powerful method for obstacle avoidance and leader following. The performances of the closed-loop system are illustrated through simulations. During the simulation, the vehicle first changes its direction and then follows the leader without colliding with obstacles. Although the vehicle is inertial and non-holonomic in behavior, the simulations show that the two path planning methods with MPC scheme work well. For future works, the authors aim to solve the problem with moving obstacles. این مقاله به بررسی تعقیب ربات رهبر توسط خودرو خودران و مسأله اجتناب از برخورد با موانع می‌پردازد. در این مقاله همانند یک خودرو واقعی، ابعاد هندسی، جرم و ممان اینرسی برای خودرو در نظر گرفته شده است. گشتاور فرمان و گشتاور چرخ محرک، دو ورودی کنترلی هستند. معادلات دینامیک غیرخطی وسیله نقلیه استخراج شده است. ابتدا الگوریتمی برای تغییر جهت وسیله نقلیه برای تعقیب رهبر پیشنهاد می‌شود که به منظور قرارگیری جهت خودرو در جهت مناسب برای تعقیب ربات رهبر طراحی شده است. پس از آن مسیر مناسب برای اجتناب از برخورد با موانع ساکن متعدد و تعقیب رهبر ارائه می‌گردد و سپس از یک کنترل‌کننده پیش‌بین مدل غیرخطی برای دنبال کردن مسیر مرجع استفاده می‌شود. الگوریتم طراحی مسیر براساس تئوری باند الاستیک بوده که عملکرد بسیار خوبی برای عدم برخورد با موانع متعدد و تعقیب ربات رهبر دارد. عملکرد سیستم حلقه بسته از طریق شبیه‌سازی نشان داده شده است. اگرچه خودرو دارای اینرسی است و قیود غیرهولونومیک دارد، شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهند که دو روش طراحی مسیر با طرح کنترل‌کننده پیش‌بین مدل به خوبی کار می‌کند.

https://mej.aut.ac.ir/article_5386_cf9819df265db90772d487d5b2cd3cf4.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 55 12 2024 02 20 Investigating the nonlinear coupled vibrations of elastic blade of helicopter and analysis of flutter frequencies بررسی ارتعاشات غیرخطی کوپل پره الاستیک روتور بالگرد و تحلیل فرکانسهای فلاتر 1483 1498 5387 10.22060/mej.2024.22724.7664 FA موسی رضائی دانشکده مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران مجتبی رضایی دانشکده مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران Journal Article 2023 10 05 Aeroelastic instability in blades is one of the most important sources of instability in helicopter rotors, and the most critical of these instabilities is flutter. In this paper, in order to investigate the blade flutter and its relationship with the rotor structural parameters, using the Hamilton's principle and considering the Euler-Bernoulli beam theory, the coupled nonlinear partial differential equations governing the rotating elastic blade of a helicopter in the hover flight mode are extracted and converted into a set of ODEs by applying Galerkin method. Then the obtained equations for small perturbations are linearized around the steady state conditions. assuming the harmonic response, the natural frequencies of the blade in three motion axes are calculated and the relationship between the natural frequency and flutter frequency of the blade with structural and aerodynamic parameters are shown. Using numerical simulation, the results for two types of soft and stiff blades with given characteristics in terms of different parameters such as blade twist angle, pre-cone angle and rotation speed of rotor for the first mode shape are extracted. Finally, the effect of each of the mentioned parameters on the flutter frequency and also, the blade stability region is analyzed. It is shown that by increasing the blade stiffness, the flutter frequency will increase and the system will be stable. ناپایداری آیروالاستیکی در پره‌ها از مهمترین عوامل و منابع ناپایداری در روتور بالگردها محسوب می‌شوند که از جمله این ناپایداری‌ها، فلاتر می‌باشد. در این مقاله به منظور بررسی فلاتر پره و ارتباط آن با پارامترهای سازه‌ای روتور، معادلات دیفرانسیل جزئی غیرخطی کوپل حاکم بر پره الاستیک دوار روتور بالگرد با فرض تیر اویلر-برنولی تحت اثر نیروهای آیرودینامیکی در حالت هاور با استفاده از اصل همیلتون استخراج شده و با اعمال روش گالرکین به معادلات دیفرانسیل غیرخطی معمولی تبدیل می‌شوند و سپس معادلات بدست آمده برای مقادیر اغتشاشی کوچک حول شرایط حالت دائم خطی می‌گردند. با فرض اینکه پاسخ بصورت هارمونیک باشد، فرکانس‌های طبیعی پره در سه محور حرکتی محاسبه شده و ارتباط فرکانس طبیعی و فرکانس فلاتر پره با پارامترهای سازه‌ای و آیرودینامیکی نشان داده می‌شود. با استفاده از شبیه‌سازی عددی، نتایج برای دو نوع پره سفت و پره نرم با مشخصات معین برحسب پارامترهای مختلف از جمله زاویه پیچش پره، زاویه پیش‌مخروطی و سرعت چرخش روتور برای شکل مود اول ترسیم شده و اثر هر کدام از پارامترهای مذکور بر روی فرکانس فلاتر و نیز ناحیه پایداری پره مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد. نشان داده می‌شود با افزایش صلبیت پره، فرکانس فلاتر افزایش یافته و سیستم پایدار خواهد بود.

https://mej.aut.ac.ir/article_5387_6740526b78c0b230e41ae61d8ca07cf5.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 55 12 2024 02 20 Design and Experimental Validation of an Extended State Observer for Estimating of Uncertainties and Unknown Road Input in a Quarter-car McPherson Suspension System طراحی و اعتبار سنجی تجربی یک مشاهده‌گر حالت توسعه یافته برای تخمین عدم قطعیت‌ها و ورودی ناشناخته جاده در سیستم تعلیق مک فرسون یک چهارم خودرو 1499 1522 5394 10.22060/mej.2024.22681.7658 FA زهرا آهنگری سیسی مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران. مهدی میرزایی مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران. صدرا رفعت نیا مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران. 0000-0002-3517-6810 Journal Article 2023 09 14 This paper deals with the design and experimental implementation of an extended state observer for a fabricated quarter-car suspension platform with a McPherson mechanism equipped with different sensors. The algorithm aims to estimate uncertainties and road input, leading to an accurate dynamic model for the vehicle suspension system. In the proposed method, the terms including uncertainties and unknown road input are added to the system equations as new state variables and then estimated along with other state variables using data of sprung mass and un-sprung mass displacements. A nonlinear Kalman filter with unknown input is also designed to be compared with the extended state observer. The comparison results using the experimental data under measurement errors indicate the high accuracy of the extended state observer in constructing a precise dynamic model for the system. Meanwhile, the extended state observer uses fewer sensors and its regulation is easier. Both observers are used within the structure of the active suspension system under an optimal nonlinear controller to provide the objectives of the suspension system. Co-simulation results of Adams/MATLAB show the better performance of the proposed controller using the extended state observer. در این مقاله به طراحی و پیاده‌سازی عملی رویت‌گر حالت توسعه‌یافته بر روی دستگاه آزمایش سیستم تعلیق یک‌چهارم خودرو با مکانیزم مک‌فرسون در مقیاس واقعی و مجهز به حسگرهای متعدد پرداخته می‌شود. هدف این الگوریتم، تخمین عدم‌قطعیت‌های مدل و ورودی‌ نامعلوم جاده است که منجر به تعیین یک مدل دینامیکی دقیق برای سیستم تعلیق می‌گردد. در این روش، جمله‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایی که شامل عدم‌قطعیت‌های مدل و ورودی‌های نامعلوم جاده است، به عنوان متغیرهای حالت جدید به سیستم اضافه شده و با استفاده از داده‌های مربوط به جابجایی‌های جرم معلق و غیرمعلق تخمین زده می‌شوند. در ادامه به طراحی یک فیلتر کالمن غیرخطی با ورودی نامعلوم جهت مقایسه با رویت‌گر حالت توسعه‌یافته پرداخته می‌شود. نتایج آزمایشگاهی با داده‌های واقعی که توام با خطاهای اندازه‌گیری است، حاکی از دقت بالاتر رویت‌گر حالت توسعه یافته در ایجاد یک مدل دینامیکی قابل اعتماد برای سیستم می‌باشد. ضمن اینکه ساختار این رویت‌گر در مقایسه با فیلتر کالمن با ورودی نامعلوم ساده‌تر بوده و تنظیم آن راحت‌تر است و از تعداد خروجی‌های کم‌تری استفاده می‌کند. هر یک از رویت‌گرهای طراحی شده در ساختار یک سیستم کنترل تعلیق فعال با کنترل‌کننده بهینه غیرخطی استفاده می‌شود تا اهداف سیستم تعلیق را برآورده نماید. نتایج شبیه‌سازی‌ها به صورت نرم‌افزار در حلقه در محیط متلب/آدامز، عملکرد مناسب‌تر کنترل‌کننده با رویت‌گر حالت توسعه یافته را نشان می‌دهند.

https://mej.aut.ac.ir/article_5394_ab013ca67cf2d50796b0c11d1b8bc95d.pdf