دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 56 1 2024 03 20 Experimental and Analytical Evaluation of the Vibrational Stress Relief Process Parameters on the Steel Specimen Based on the Computational Model ارزیابی تجربی و تحلیلی اثر پارامترهای فرآیند تنش‌زدایی ارتعاشی نمونه فولادی بر اساس مدل محاسباتی 3 30 5392 10.22060/mej.2024.22820.7681 FA مهدی جعفری وردنجانی گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فنی و حرفه‌ای، تهران، ایران سعید امینی گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فنی و حرفه‌ای، تهران، ایران Journal Article 2023 11 20 The vibration stress relief process is currently utilized as a suitable alternative to the thermal stress relief method to reduce the residual stress of various alloys. In this study, a theoretical model based on the analytical equations is presented. The proposed model including the frequency, amplitude, and process time has been revised compared to the previously proposed models to make it more comprehensible and applicable. Thus, the assumed parameters including the number of cycles (duration), the strain rate (loading frequency), and the amplitude (loading value) are embedded in the model. Experimental tests measuring residual stress distribution by X-ray diffraction method are conducted on specific spots to compare the results with the experiments. An acceptable range of error (below 10%) has been observed between the theoretical and experimental results. According to the obtained results, the model has an acceptable performance for residual stress calculation after the process. According to the results, vibration amplitude has been about 19% more effective than the other parameters. In addition, increasing the amplitude has increased the affirmative effect of the frequency parameter by 38% compared to the other parameters. To further examine the presented model, the variations of the stress rate have been analyzed versus each influential parameter. در حال حاضر تنش‌زدایی ارتعاشی جایگزین مناسبی برای تنش‌زدایی حرارتی جهت کاهش تنش پسماند محسوب می‌شود. در این مطالعه یک مدل تئوری بر اساس روابط تحلیلی و محاسباتی ارائه شده است. رابطه پیشنهادی از نظر متغیرهای فرکانس، دامنه و زمان ارتعاش اصلاح شده است تا پارامترهای کاربردی‌تری را در مقایسه با مدل‌های قبلی شامل شود. بنابراین پارامترهای ضروری روش ارتعاشی شامل تعداد سیکل به عنوان مدّت فرآیند، نرخ کرنش به عنوان بسامد بارگذاری، و دامنه به عنوان بار در مدل تعبیه شده است. آزمایشات تجربی جهت اندازه‌گیری توزیع تنش پسماند با روش پراش اشعه ایکس برای نقاط خاصی انجام شده است تا نتایج آن با نتایج مدل مقایسه شود. محدوده خطای قابل کنترلی (زیر 10 درصد) بین نتایج تئوری و تجربی مشاهده شده است. با توجّه به نتایج بدست‌آمده، مدل از لحاظ محاسبه توزیع تنش پسماند پس از انجام فرآیند نسبت به نتایج آزمایش تجربی مشابه عملکرد قابل قبولی داشته است. طبق نتایج بدست آمده پارامتر دامنه ارتعاش، حدود 19% موثّرتر از سایر پارامترها بوده است. همچنین افزایش دامنه، اثر مثبت پارامتر فرکانس را به میزان 38% بیش از سایر پارامترها افزایش داده است. جهت بررسی عمیق‌تر مدل، نرخ تغییرات توزیع تنش نیز نسبت به پارامترهای مذکور بررسی شده است.

https://mej.aut.ac.ir/article_5392_2a10665525774fa2501c2c8c4985ce61.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 56 1 2024 03 20 Investigating the Effect of SiC Nanoparticles on the Shear Strength of Friction Stir Lap Welded 7075 Aluminum Alloy بررسی اثر نانو ذرات سیلیکون کارباید بر استحکام برشی جوش در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی آلومینیوم 7075 31 56 5426 10.22060/mej.2024.22620.7651 FA حجت ثمری خلج دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران علی نیک بخت استادیار، پژوهشکده فناوری‌های نو، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران. مجتبی صدیقی دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران 0000-0003-0129-1914 Journal Article 2023 08 20 In this paper, the effect of including Silicon Carbide nanoparticles in the weld zone on the maximum shear strength of friction stir lap welded 7075 aluminum alloy is investigated, both experimentally and numerically. This objective is carried out by studying the effects of rotational and transverse speeds, tilt angle, the shape of the tool, and the penetration depth. The numerical investigation is based on developing an FE model by means of Deform and ABAQUS to simulate the welding procedure, which results are verified by the experimental findings. The experimental procedure is designed based on the Taguchi method. The verification of the developed FE model shows that the simulation results are in proper agreement with the experimental findings. In general, including Silicon Carbide nanoparticles in the weld zone can increase the maximum shear strength up to 24%, compared to the case where the specimens are welded without Silicon Carbide. Furthermore, applying the threaded tapered tool leads to higher shear strength in comparison with the squared shape tool, i.e., the strength of the specimens welded by the threaded tapered tool is 4 to 5% higher without Silicon Carbide inclusion and 4 to 7.5% higher with Silicon Carbide, compared to the same case welded by the squared tool. In addition, while the rotational speed has the highest influence on the findings, the tilt angle does not affect the results that much. در این مقاله به بررسی عددی و تجربی بیشینه استحکام برشی اتصال در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی آلومینیوم 7075 در حالت لبه روی هم در حضور نانو ذرات سیلیکون کارباید در ناحیه اتصال پرداخته شده و نتایج با جوشکاری بدون حضور نانو ذرات مقایسه شده است. بدین منظور پارامترهای تاثیرگذار در استحکام برشی اتصال شامل سرعت خطی و دورانی ابزار، شکل پین ابزار (مربعی و رزوه مخروطی)، عمق فرورفتگی و زاویه انحراف ابزار مطالعه شده‌‌اند. آزمایشات تجربی با استفاده از علم آمار استنباطی به روش تاگوچی طراحی و یک مدل المان محدود سه بعدی نیز با بکارگیری دو نرم افزار دفرم و آباکوس به صورت متوالی توسعه داده شده که نتایج حاصل از آن با آزمایش‌های تجربی اعتبارسنجی شده است. اعتبارسنجی مدل عددی نشان می‌دهد که نتایج مدل عددی دارای تطابق مناسبی برای تخمین و پیش‌بینی رفتار فرآیند مذکور می‌باشد. بررسی نتایج نشان می‌دهد که حضور نانو ذرات باعث افزایش استحکام برشی اتصال جوشکاری شده حداکثر تا 24 درصد نسبت به جوشکاری بدون این ذرات می‌شود. استفاده از ابزار با پین رزوه مخروطی باعث افزایش استحکام 4 الی 5 درصدی در عدم حضور ذرات تقویت‌کننده و 4 الی 7/5 درصدی در حضور نانوذرات نسبت به ابزار با پین مربعی شده است. موثرترین پارامتر بر استحکام برشی قطعه جوشکاری شده، سرعت دورانی ابزار می‌باشد. همچنین زاویه انحراف ابزار تاثیر اندکی بر استحکام قطعه دارد.

https://mej.aut.ac.ir/article_5426_d3696cfb815ab692407d9362e6f06c28.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 56 1 2024 03 20 Sensitivity Analysis of the Location of Inlet and Outlet Air on the Particle Transmission in a Modeled Room Utilizing Taguchi Method and ANOVA حساسیت سنجی مکان ورودی و خروجی هوا بر میزان انتقال ذرات در اتاق اداری با استفاده از روش تاگوچی و آنالیز واریانس 57 80 5440 10.22060/mej.2024.22942.7698 FA حسن سجادی دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بجنورد، بجنورد، ایران مرکز مطالعات و همکاری‌های بین‌المللی وزارت علوم، تحقیقات و فناوری، تهران، ایران 0000-0002-0681-7682 سید نادر نبوی دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بجنورد، بجنورد، ایران مرکز مطالعات و همکاری‌های بین‌المللی وزارت علوم، تحقیقات و فناوری، تهران، ایران گودرز احمدی دانشکده مکانیک و هوافضا، دانشگاه کلارکسون، نیویورک، آمریکا مرکز مطالعات و همکاری‌های بین‌المللی وزارت علوم، تحقیقات و فناوری، تهران، ایران 0000-0001-5277-7960 امین امیری دلوئی دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بجنورد، بجنورد، ایران مرکز مطالعات و همکاری‌های بین‌المللی وزارت علوم، تحقیقات و فناوری، تهران، ایران هومن نعیمی دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بجنورد، بجنورد، ایران مرکز مطالعات و همکاری‌های بین‌المللی وزارت علوم، تحقیقات و فناوری، تهران، ایران Journal Article 2024 01 23 In the present study, the sensitivity of particle dispersion within a room to the spatial position of the inlet and outlet air register was investigated using the Taguchi method and analysis of variance (ANOVA). For this purpose, a total of 86400 particles with a size of 1µm were uniformly injected from the inlet register into the room at equal time intervals. Different positions for the inlet register (32 positions) and outlet register (4 positions) on the ceiling and floor of the room were considered. Subsequently, the behavior of the particles, as well as the particle deposition and dispersion within the room over a 60-second time period, were examined using the multi-relaxation time lattice Boltzmann method. By employing the Taguchi method and L16 orthogonal arrays, the required number of experiments was reduced by 1/8. All specified experiments that were suggested by the orthogonal array were simulated, and the number of suspended particles in the room was measured. Following the experiments, the effects of each parameter on the output of the problem were determined based on a factor called the signal-to-noise (S/N) ratio and analysis of variance. According to the obtained results, the longitudinal position of the inlet register had the highest impact on the number of suspended particles in the room, accounting for 84.42% contribution. Additionally, the vertical position of the outlet register had the least impact, contributing only 0.16%. در پژوهش حاضر با استفاده از روش تاگوچی و آنالیز واریانس، میزان حساسیت انتشار ذرات داخل اتاق به موقعیت مکانی دریچه ورودی و خروجی هوا مورد بررسی قرار گرفت. به این منظور تعداد 86400 ذره با اندازه یک میکرومتر در فاصله‌های زمانی یکسان به‌صورت همگن از دریچه ورودی به داخل اتاق تزریق گردید و موقعیت‌های مختلفی برای دریچه ورودی (32 موقعیت) و دریچه خروجی (4 موقعیت) بر روی سقف و کف اتاق در نظر گرفته شد. سپس رفتار ذره و میزان ته نشینی و ماندگاری ذره داخل اتاق برای یک دوره زمانی 60 ثانیه ای با استفاده از روش شبکه بولتزمن چند زمانه مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از روش تاگوچی و آرایه‌های متعامد L16، تعداد آزمایش‌های مورد نیاز به اندازه هشت برابر کاهش یافت. تمامی آزمایش‌های مشخص شده از آرایه متعامد شبیه‌سازی و مقدار ذرات معلق در فضای اتاق اندازه‌گیری شد. پس از انجام آزمایش‌ها، بر اساس عاملی به نام نسبت سیگنال به نویز و آنالیز واریانس داده‌ها، میزان اثرگذاری هر پارامتر بر خروجی مسئله مشخص گردید. با توجه به نتایج بدست آمده موقعیت طولی دریچه ورودی هوا با سهم 84/42 درصد بیشترین تاثیر را بر میزان ذرات معلق در اتاق داشت. همچنین کمترین تاثیر را موقعیت ارتفاع دریچه خروجی هوا با سهم 0/16 درصد دارد.

https://mej.aut.ac.ir/article_5440_7a2347d96752880e3d58d72e9813cc14.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 56 1 2024 03 20 Estimation of Linear and Pressure Drag Coefficients of an Underwater Robot Using Nonlinear Kalman Filters تخمین ضرایب پسای خطی و فشاری یک ربات زیردریایی با استفاده از فیلترهای کالمن غیرخطی 81 102 5443 10.22060/mej.2024.22779.7674 FA محمد غضنفری دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران سید محمد بزرگ دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران 0000-0002-2238-4098 Journal Article 2023 11 02 Using kinetic models for the navigation of underwater robots is an important issue that has recently attracted the attention of many researchers. They are used as an auxiliary tool alongside the common navigation algorithms that use the kinematic models of the robots. Their use in underwater navigation is more crucial as the GPS and radio signals are not available in underwater environments and navigation algorithms mainly rely on the kinematic models used in a dead-reckoning configuration, where IMU and/or DVL data are used. To use a kinetic model for the navigation of an underwater vehicle, it is required to have accurate values of its hydrodynamic coefficients, where the linear and pressure drag coefficients are among the most crucial parameters to be identified. In this paper, the drag coefficients of a sample remotely operated vehicle (ROV) are estimated using an Extended Kalman filter (EKF) and an Unscented Kalman filter (UKF). For this purpose, a six DOF model of the underwater vehicle is used to simulate its motion. Then, the inputs and outputs of the simulated model are imported into the estimation algorithms to identify the drag coefficients of the robot. The simulation results show that the UKF identifies the hydrodynamic coefficients more accurately than EKF, using the same model and measurement noises. Also, by comparing the simulated maneuvers of the robot using the identified coefficients and the exact coefficients of the robot, it is observed that the coefficients identified by UKF lead to more accurate trajectories as compared to the coefficients identified by EKF. تعیین موقعیت ربات‌های زیردریایی با استفاده از مدل سینتیکی آن‌ها از اهمیت بالایی در ناوبری این ربات‌ها برخوردار است. ناوبری مبتنی بر مدل سینتیکی، یک ابزار کمکی برای الگوریتم‌های رایج ناوبری که در آن‌ها از مدل‌های سینماتیکی استفاده می‌شود، می‌باشد. اهمیت استفاده از مدل‌های سینتیکی در ناوبری وسایل زیردریایی زمانی دوچندان می‌شود که به واسطه شرایط زیر آب، امکان دسترسی به داده‌های سیستم موقعیت‌یاب جهانی و امواج رادیویی وجود نداشته و ناوبری کور با استفاده از داده‌های حسگرهایی نظیر واحد اندازه‌گیری اینرسی و سرعت‌سنج‌های داپلری و بر اساس مدل‌های سینتیکی انجام می‌گیرد. به منظور پیاده‌سازی الگوریتم ناوبری مبتنی بر مدل سینتیکی، به یک مدل دقیق برای وسایل زیردریایی نیاز است که ضرایب پسای خطی و فشاری، از جمله مهمترین ضرایب تاثیرگذار در دقت آن هستند. در این مقاله، ضرایب پسای خطی و فشاری برای یک نمونه ربات زیردریایی هدایت از راه دور با استفاده از فیلترهای کالمن غیرخطی توسعه‌یافته و بدون بو تخمین زده می‌شوند. برای این منظور، یک مدل شش درجه آزادی از ربات زیردریایی برای شبیه‌سازی حرکت آن، مورد استفاده قرار می‌گیرد. سپس ورودی و خروجی‌های مدل شبیه‌سازی شده، به الگوریتم‌های تخمین داده می‌شوند تا ضرایب پسای خطی و فشاری ربات شناسایی شوند. مقایسه مقادیر شناسایی شده برای ضرایب هیدرودینامیک نشان می‌‌دهد که فیلتر کالمن بدون بو این ضرایب را با دقت بیشتری نسبت به فیلتر کالمن توسعه یافته تخمین می‌‌زند. همچنین، مقایسه نتایج شبیه‌سازی مانورهای ربات با استفاده از ضرایب شناسایی شده و ضرایب واقعی و مقایسه مسیرهای حرکتی به دست آمده، نشان می‌دهد که مسیر حاصل از ضرایب شناسایی شده توسط فیلترکالمن بدون بو، به مسیر واقعی حرکت وسیله نزدیک‌‌تر است.

https://mej.aut.ac.ir/article_5443_415185ea244ea2b2bedeb0449b926802.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 56 1 2024 03 20 Numerical study of the influence of changing impeller geometry on improving the performance of a centrifugal pump as a turbine مطالعه عددی تأثیر تغییر هندسه پروانه بر بهبود عملکرد یک پمپ معکوس گریز از مرکز 103 124 5444 10.22060/mej.2024.22708.7680 FA سلمان صارمیان دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران محمد حسن شجاعی فرد دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران Journal Article 2023 11 15 The implementation of a pump as a turbine rather than traditional turbines in the soft pressure regulation system reduces the initial costs and construction time of the power plant. However, the significant losses occur under off-design conditions because the pump was not built to work in reverse mode. In this study, the design and simulation of the centrifugal pump as turbine as the most important part of the power plant have been done by CFturbo and CFX software. The discretization of governing equations was done with the help of the finite volume method, and regarding the turbulent nature of flow in the pump as turbine from k-ω SST model was used. The changing trend of the pump as turbine simulation results are basically in acceptable agreement with the experimental results. The impact of changing the parameters of blade thickness, blade inlet width, and splitter blades was numerically investigated in the operating range. Since increasing the efficiency and production capacity of the power plant is considered, the selection of the optimal mode of changes in the geometrical parameters of the impeller was investigated based on the statistical analysis of the flow rate. The results indicated that by simultaneously modifying the parameters, the operating range with high efficiency and electricity production is increased compared to the original impeller. The optimal impeller is better performing in the range of 0.77QBEP to 1.2QBEP, and efficiency at the design point has increased by 1.92%. بکارگیری پمپ معکوس به جای توربین‌های سنتی در سامانه فشارشکن باعث کاهش هزینه‌های اولیه و زمان احداث نیروگاه می‌شود. اما تلفات قابل توجه در شرایط خارج از طراحی رخ می‌دهد زیرا پمپ برای کار در حالت معکوس ساخته نشده است. در این مطالعه طراحی و شبیه‌سازی پمپ معکوس گریز از مرکز به عنوان مهمترین بخش نیروگاه توسط نرم‌افزارهای سی - ‌اف - ‌توربو و سی - اف - ایکس انجام شده است. گسسته سازی معادلات حاکم به کمک روش حجم محدود انجام شد و با توجه به ماهیت آشفته جریان در پمپ معکوس از مدل کی امگا اس-‌اس-تی استفاده شده است. روند تغییرات نتایج حاصل از شبیه‌سازی هندسه اولیه پمپ معکوس اساساً با نتایج تجربی تطابق قابل قبولی دارد. تأثیر تغییر پارامترهای ضخامت پره، عرض ورودی پره و پره‌های جداکننده به صورت عددی در محدوده کاری پمپ معکوس مورد بررسی قرار گرفت. از آنجایی که افزایش راندمان و ظرفیت تولید نیروگاه مدنظر است، انتخاب حالت بهینه تغییرات پارامترهای هندسی پروانه بر اساس تحلیل آماری دبی انجام شده است. نتایج نشان می‌دهد که باتغییر همزمان پارامترها، محدوده کارکرد با راندمان بالا و تولید برق نسبت پروانه اصلی افزایش می‌یابد. پروانه بهینه در محدوده 0٫77 تا 1٫2 دبی نقطه طراحی عملکرد بهتری دارد و راندمان در نقطه طراحی 1٫92 درصد افزایش داشته است.

https://mej.aut.ac.ir/article_5444_587b7b833034299fdd5f4b10e7dc9fca.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 56 1 2024 03 20 Nonlinear numerical analysis of actuation response of ionic polymer metal composite cantilever considering coupled electrical, chemical, and mechanical fields تحلیل غیرخطی عددی پاسخ محرکی کنسول کامپوزیت فلزپلیمریونی با در نظر گرفتن کوپل میدان‌های الکتریکی، شیمیایی و مکانیکی 125 146 5445 10.22060/mej.2024.22877.7689 FA محمد جواد محمودی دانشکدة مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران، 0000-0001-5418-3090 امیرحسین تقوی گنجی دانشکدة مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران، Journal Article 2023 12 19 Ionic-Polymer-Metal-Composite (IPMC) actuators are thin sandwich strips with an electroactive polymer in the middle and two metal electrodes on the sides. The coupling of electric, chemical, and mechanical fields causes bending deformation, as applying a voltage to the electrodes leads to the ion's migration through the thickness. A nonlinear coupled electrochemical mechanical analysis of the actuation response of an IPMC cantilever is performed. From the coupling of chemical and electric fields, the electrochemical response equation is solved by the finite difference and Newton-Raphson methods. This response inserts into the mechanical field. Using the solvent transfer equation, the eigenstrain and bending moment rates are obtained. The cCantilever’s tip deflection is determined by extracting the water coverage in the boundary layer of the cathode and anode. The results are compared and validated with previous available studies. The results show a fit between the response of the actuator and the electrical excitation and confirm the presented model provides the fast response prediction of the strip. Under 1 Volt excitation, the maximum and residual deflections of the cantilever’s end were found 0.11 and 0.04 of the strip length, respectively, and the cation concentration in the middle of the thickness was calculated to be 1150 mol/m3. محرک‌های کامپوزیت فلزپلیمریونی نوارهای ساندویچی بسیار نازک با یک پلیمر الکترواکتیو در وسط و دو الکترود فلزی در طرفین هستند. اعمال ولتاژ به الکترودها منجر به مهاجرت یونی در پلیمر و تغییر غلظت یون در ضخامت نوار می‌شود و با کوپل میدان‌های شیمیایی، الکتریکی و مکانیکی، تغییرشکل در نوار بوجود می‌آید. در این مقاله، تحلیل غیرخطی کوپل الکتروشیمی مکانیکیِ پاسخ محرکیِ کنسول کامپوزیت فلزپلیمریونی انجام می‌گیرد. از کوپل میدان‌های شیمیایی و الکتریکی، معادله پاسخ الکتروشیمیایی با روش تفاضل محدود، و بهره‌گیری از روش نیوتن-رافسون حل می‌شود. با نوشتن معادله انتقال حلال و پاسخ الکتروشیمیایی، نرخ کرنش ویژه، و نرخ تغییرات لنگر خمشی محرک و در ادامه پاسخ جابجایی انتهای تیر با استخراج میزان آبپوشی در لایه مرزی کاتد و آند بدست می‌آید. نتایج بدست آمده با مطالعات پیشینِ دردسترس مورد مقایسه و اعتبار سنجی قرار می‌گیرد. نتایج تناسب بین پاسخ محرک و تحریک الکتریکی را بطور معقول نشان می‌دهد و تایید می‌کند که مدل ارائه شده پیش‌بینی پاسخ سریع نوار را فراهم می‌کند. تحت تحریک یک ولت، خیز حداکثر و پسماند انتهای کنسول بترتیب به اندازه 0/11 و 0/04 طول نوار بدست آمد، و غلظت کاتیون در ضخامت میانی نوار به اندازه 1150 مول بر مترمکعب محاسبه شد.

https://mej.aut.ac.ir/article_5445_bdc363788b2b48c031bf406cf15aa252.pdf