دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 57 2 2025 04 21 Resistive Load Effect on Chaotic Dynamic of a Nonlinear Piezoelectric Energy Harvester with Elastic Stoppers تأثیر بار مقاومتی روی دینامیک آشوبناک یک برداشت‌کننده انرژی پیزوالکتریک غیرخطی با متوقف‌کننده‌های الاستیک 125 146 5759 10.22060/mej.2025.24100.7840 FA رضا ابراهیمی گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران 0000-0002-0118-437X مهدی قاسمی ورنامخواستی گروه مهندسی مکانیک بیوسیستم، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران Journal Article 2025 04 25 Recently, converting ambient vibrational energy into useful electric energy through energy harvesters has been attracted worldwide attention due to its application in realizing self-powered operation of wireless sensors. Piezoelectric energy harvesters are usually equipped with elastic stoppers to prevent damage to the piezoelectric layer when the oscillating structure is attacked by sudden overloads. However, elastic stoppers cause nonlinear piecewise forces, which can lead to irregular voltage response of the system. So, in this paper, the resistive load is used as the control parameter to increase range of periodic voltage and avoid the appearance of irregular response of a bi-directional piezoelectric vibration energy harvester with the elastic stoppers. The governing electromechanical equations are extracted and solved by the Runge–Kutta method. The nonlinear dynamic response is analyzed using bifurcation plot, phase plane, power spectrum plot and Poincaré map. In order to validate simulation results, experiments have been carried out. Various nonlinear behaviors such as multi periodic and chaotic responses are observed, which are affected by the resistive load. Also, the results show that a higher value of resistive load can lead to a wider range of periodic responses of the system. The results of this study can provide a methodology to optimize system parameters according to vibration conditions of different environments. اخیراً، تبدیل انرژی ارتعاشات محیط به انرژی الکتریکی مفید توسط برداشت‌کننده‌ها، توجه زیادی را به خود جلب کرده است که ناشی از کاربرد آن در خودتوان نمودن حسگرهای بدون سیم است. برداشت‌کننده‌های انرژی پیزوالکتریک معمولاً با متوقف‌کننده‌های الاستیک مجهز می‌شوند تا هنگامی که سازه در حال ارتعاش، در معرض بیشبارهای ناگهانی قرار می‌گیرد، از آسیب به لایه پیزوالکتریک جلوگیری نمایند. هرچند، متوقف‌کننده‌های الاستیک نیروهای تکه‌ای غیرخطی را ایجاد می‌کنند که منجر به پاسخ ولتاژ نامنظم سیستم می‌شوند. بنابراین در این مقاله، بار مقاومتی به عنوان پارامتر کنترلی برای افزایش محدوده پاسخ ولتاژ پریودیک و اجتناب از وقوع پاسخ نامنظم یک برداشت‌کننده انرژی ارتعاشی پیزوالکتریک دو جهته با متوقف‌کننده‌های الاستیک، استفاده شده است. معادلات الکترومکانیکال حاکم استخراج گردیده و با روش رانج – کوتا حل شده‌اند. پاسخ دینامیک غیرخطی با استفاده از نمودار دوشاخگی، صفحه فاز، نمودار طیف توان و نقشه پوانکاره تحلیل شده است. برای اعتبارسنجی نتایج شبیه‌سازی، آزمایش‌هایی نیز انجام شده است. رفتارهای غیرخطی متنوعی از جمله پاسخ‌های چندپریودیک و آشوبناک مشاهده شده است که تحت تاثیر بار مقاومتی قرار دارند. همچنین نتایج نشان داد که مقادیر بالاتر بار مقاومتی می‌تواند منجر به محدوده گسترده‌تری از پاسخ‌های پریودیک سیستم شود. نتایج این مطالعه می‌تواند راهکارهایی را برای بهینه‌سازی پارامترهای سیستم مطابق با شرایط ارتعاشی محیط‌های مختلف ارائه نماید.

https://mej.aut.ac.ir/article_5759_bff624c3a469dce7c45ce151902222ba.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 57 2 2025 04 21 Cost Analysis of a Zero-Carbon Hydrogen, Power, and Heat System Using Advanced Nuclear and Sorption-Enhanced Methane Reforming ارزیابی ترمودینامیکی و اقتصادی و تحلیل جامع مکانیزم‌های مؤثر بر هزینه یک سیستم چندگانه تولید هیدروژن صفر کربن، توان و گرمایش برپایه انرژی هسته‌ای 147 170 5761 10.22060/mej.2025.23897.7825 FA رضا خفافپور دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، تبریز، ایران مرتضی یاری دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، تبریز، ایران علی اکبر درآبادی زارع دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، تبریز، ایران Journal Article 2025 02 10 Fourth-generation very-high-temperature reactors, particularly when integrated with steam methane reforming and carbon dioxide capture processes, offer significant potential for large-scale hydrogen production with an environmentally conscious approach. However, limited research has been conducted on the design and economic evaluation of integrated Generation IV and steam methane reforming systems for nuclear hydrogen production, especially when considering a combined cycle as part of the overall power generation system. In this study, a combined hydrogen and power generation system, utilizing a very-high-temperature reactor, has been developed and analyzed. This system employs steam methane reforming with enhanced CO2 absorption and a combined cycle approach. System modeling was performed from thermodynamic and economic perspectives using Aspen Plus software, and its thermodynamic performance was evaluated under various operating conditions. Furthermore, several parametric studies were conducted to determine the factors that affect hydrogen and power generation. Simulation results indicate an energy efficiency of 73% for the proposed system, with hydrogen and power production efficiencies of 16% and 23%, respectively. The results show that the proposed system performs better than multi-generation systems in previous research. In addition, the exergy efficiency of the proposed system was calculated to be 69.9%. رآکتورهای نسل چهارم با دمای بسیار بالا، به‌ویژه هنگامی که با فرایندهای رفرمینگ بخار متان و جذب دی‌اکسیدکربن ترکیب شوند، ظرفیت چشمگیری در تولید هیدروژن در مقیاس وسیع و با رویکردی سازگار با محیط‌زیست ارائه می‌دهند. بااین‌وجود، پژوهش‌های اندکی در زمینه طراحی و ارزیابی اقتصادی سیستم‌های یکپارچه نسل چهارم و ریفرمینگ بخار متان برای تولید هیدروژن هسته‌ای، به‌ویژه با درنظرگرفتن یک سیکل ترکیبی به‌عنوان بخشی از سیستم تولید توان کلی، صورت‌گرفته است. در این مطالعه، یک سیستم‌ تولید هم‌زمان هیدروژن و توان الکتریکی، با بهره‌گیری از یک راکتور دمای بسیار بالا، توسعه و تحلیل شده است. این سیستم‌ از فرایند ریفرمینگ بخار متان با جذب تقویت‌شده و رویکرد سیکل ترکیبی استفاده می‌کند. مدل‌سازی سیستم‌ از دیدگاه‌های ترمودینامیکی و اقتصادی، با استفاده از نرم‌افزار اسپن پلاس انجام شده و عملکرد ترمودینامیکی آن در شرایط عملیاتی مختلف ارزیابی گردیده است. علاوه بر این، چندین مطالعه پارامتری جهت تعیین عواملی که بر روی تولید هیدروژن و توان الکتریکی اثر می‌گذارند، انجام‌گرفته است. نتایج شبیه‌‌سازی، راندمان انرژی سیستم پیشنهادی را 73 درصد و بازده تولید هیدروژن و توان الکتریکی به ترتیب 16 و 23 درصد نشان می‌‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که سیستم پیشنهادی نسبت به سیستم‌های چند نسلی تحقیقات گذشته بهتر عمل می‌کند. علاوه بر این، راندمان اگسرژی سیستم پیشنهادی69/9 درصد محاسبه شده است.

https://mej.aut.ac.ir/article_5761_81cacbb44ce8bf874ef92e1a73432c7f.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 57 2 2025 04 21 Multiscale Study of Polymer Gear Failure Under Variable Torque Conditions مطالعه چندمقیاسی تخریب چرخ‌دنده‌های پلیمری در شرایط گشتاور متغیر 171 186 5762 10.22060/mej.2025.23987.7831 FA رسول محسن زاده گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ملی مهارت، تهران، ایران کریم شلش نژاد گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشکده مکانیک، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران Journal Article 2025 03 08 The failure of polymer gears is strongly affected by applied torque and surface temperature. Higher torque increases contact stress and temperature, accelerating gear degradation. This study investigates failure mechanisms through multiscale analysis under five torque levels (6, 8, 10, 12, and 14 N·m) using polyoxymethylene (POM), a common polymer for plastic gears. Gear surface temperature was monitored online during tests. Failure mechanisms were examined on both macroscopic and microscopic scales. Macroscopically, surface characteristics were analyzed, while scanning electron microscopy (SEM) provided insights into microscopic wear patterns. Results revealed that increasing torque from 6 to 14 N·m raised surface temperature by up to 98%, attributed to combined mechanical and thermal effects. At lower torque levels (6–10 N·m), pitch-line cracks, plastic deformation, and wear were observed. However, at torques above 10 N·m, material flow and adhesive wear became dominant, with severe microscopic material movement linked to POM’s low thermal conductivity. مکانیزم‌های تخریب چرخ‌دنده‌های پلیمری به‌شدت تحت تأثیر گشتاورهای اعمال‌شده و دمای سطحی ناشی از آن قرار دارند. افزایش گشتاور می‌تواند منجر به افزایش تنش تماسی و دمای سطحی شود که این عوامل به‌طور مستقیم در تسریع تخریب نقش دارند. استفاده از آزمون‌های چرخ‌دنده در گشتاورهای مختلف و تحلیل چندمقیاسی این امکان را فراهم می‌کند تا مکانیزم‌های اصلی تخریب شناسایی و رابطه میان بارهای مکانیکی و رفتار حرارتی مواد بررسی شود. در پژوهش حاضر، پلی‌استال، پلیمر پرکاربرد در ساخت چرخ‌دنده‌های پلاستیکی، بعنوان ماده اولیه برای ساخت چرخ‌دنده‌ها انتخاب شد. آزمون چرخ‌دنده با استفاده از پنج سطح گشتاور مختلف (N.m 6، 8، 10، 12 و 14) انجام شد. دمای سطحی دنده‌ها به‌طور آنلاین در طول آزمون اندازه‌گیری گردید. برای تحلیل مکانیزم‌های تخریب، از دو مقیاس ماکروسکوپی و میکروسکوپی استفاده شد. نتایج نشان داد که افزایش گشتاور از N.m 6 به 14، منجر به افزایش دمای سطحی دنده‌ها، تا 98 درصد شد. افزایش دمای دنده‌ها در گشتاورهای بالا به نتیجه مستقیم ترکیبی از عوامل مکانیکی و حرارتی نسبت داده شد. در سطوح گشتاور N.m ۶، ۸ و ۱۰، خرابی‌هایی مانند ترک در ناحیه گام، تغییر شکل پلاستیکی و سایش دنده مشاهده شد. اما در گشتاورهای بالاتر از N.m ۱۰، جریان مواد در مقیاس ماکروسکوپی و سایش چسبان، همراه با جریان شدید مواد در مقیاس میکروسکوپی، رخ داد که به ضعف هدایت حرارتی پلی‌استال نسبت داده شد.

https://mej.aut.ac.ir/article_5762_d384dec9f5f7a64a36b5c8f03b8a6d92.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 57 2 2025 04 21 A Numerical Study of the Effects of Blade Tip Clearance on the Performance of a Multi-Stage Transonic Axial Compressor مطالعه عددی اثرات فاصله نوک پره بر عملکرد یک کمپرسور محوری چند مرحله‌ای گذرصوتی 187 214 5765 10.22060/mej.2025.23795.7821 FA علی حسن زاده بافقی دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران محمد جواد شهریاری دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران حسین خالقی دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران Journal Article 2025 01 28 Compressors are integral components in various industrial systems, ranging from standalone units in process plants to essential parts of gas turbines. Given the widespread application of compressors, improving their performance and expanding their operating range are of great importance, leading to extensive studies on this subject and the factors affecting it. In this study, the effect of blade tip clearance on the performance of a transonic multistage compressor was investigated using numerical simulation. First, a baseline NASA compressor was simulated and validated using available data. Additionally, a single-stage simulation of each compressor stage was conducted and validated by comparison with the multi-stage simulation results. Subsequently, the impact of increasing rotor clearances to 1.5 and 2 times the baseline level was examined in three different scenarios: increasing clearance for all rotors, only the first rotor, or only the second rotor. The results indicate that among these two rotors, the one with the larger clearance is the primary source of instability. Furthermore, the operating range of the compressor remains almost unchanged compared to the scenario where the clearance of all rotors is increased uniformly. کمپرسورها که به منظور افزایش فشار گاز مورد استفاده قرار می‌گیرند در صنعت از اهمیت فراوانی برخوردار بوده و ممکن است به عنوان بخشی از یک ماشین بزرگتر مانند توربین گاز و یا به عنوان یک ماشین مجزا در واحدهای فرآیندی مورد استفاده قرار گیرند. با توجه به کاربرد فراوان کمپرسورها، بهبود عملکرد و افزایش بازه عملکردی آن‌ها اهمیت فراوانی دارد و مطالعات زیادی در این زمینه و عوامل موثر بر آن انجام شده است. در این مطالعه، اثر فاصله نوک پره از پوسته بر عملکرد یک کمپرسور چند طبقه گذرصوتی با استفاده از شبیه‌سازی عددی مورد بررسی قرار گرفته است. ابتدا یک کمپرسور مبنای ناسا با داده‌های موجود شبیه‌سازی و صحت‌سنجی شد. همچنین یک بررسی و صحت‌سنجی از طریق شبیه‌سازی تک طبقه هر یک از طبقات کمپرسور و مقایسه آن با نتایج شبیه‌سازی چند طبقه انجام شده است. سپس تأثیر افزایش لقی روتورها به 1/5 و 2 برابر حالت مبنا، در سه حالت مختلف (افزایش لقی در همه روتورها، تنها روتور اول یا تنها روتور دوم) بررسی گردیده است. نتایج نشان‌دهنده آن است که از بین این دو روتور، روتور با لقی بیشتر همان روتور عامل ناپایداری است و همچنین بازه عملکردی کمپرسور در مقایسه با شرایطی که لقی همه روتورها به یک اندازه افزایش یابد تقریبا مشابه است.

https://mej.aut.ac.ir/article_5765_8b10a9280bd46b8874af9b5cadec91d5.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 57 2 2025 04 21 An Experimental Study on Abrasive Flow Machining of Artificial Hip Joint مطالعه تجربی بر روی ماشین‌کاری جریان ساینده مفصل ران مصنوعی 215 234 5769 10.22060/mej.2025.24050.7834 FA یحیی چوپانی گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه میبد، میبد، ایران. محسن خواجه زاده گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران. محمدرضا رازفر گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران. Journal Article 2025 04 08 Due to its unique geometry, the uniform machining of the femoral head in artificial hip joints has consistently posed a significant technical challenge. This study presents an effective solution for improving the abrasive flow machining (AFM) process through the design and development of an innovative inverse replica fixture. To this end, first an industrial prototype of the AFM system was fabricated, followed by the production of a fixture tailored to the geometry of the femoral head. The performance evaluation of the proposed device and method was conducted by examining the effects of key AFM process parameters, including hydraulic extrusion pressure, silicon carbide abrasive mesh size, and the number of machining cycles, on the average percentage change in surface roughness (%∆Ra) of a femoral head made from 316L stainless steel. The results demonstrate that the proposed device and methodology provide an efficient and effective approach for achieving uniform machining of the femoral head. Experimental findings not only corroborate the efficacy of the method but also reveal that the average %∆Ra of the samples improved by 40.40%, 86.12%, and 90.61% when using abrasives with mesh sizes of 240, 600, and 1000, respectively. Moreover, surface morphology analysis indicated that the proposed method produces a smooth and uniform surface without inducing surface damage, thereby enhancing the surface integrity of the artificial hip joint. ماشین‌کاری یکنواخت سر فمورال مفصل ران مصنوعی به دلیل هندسه خاص آن، همواره به‌عنوان یک چالش‌ فنی مطرح بوده است. این پژوهش با طراحی و توسعه یک فیکسچر ماکت معکوس نوآورانه، راهکار مؤثری برای بهبود فرآیند ماشین‌کاری جریان ساینده ارائه می‌کند. در این راستا، ابتدا نمونه صنعتی فرآیند ماشین‌کاری جریان ساینده ساخته شد و سپس فیکسچر متناسب با هندسه سر فمورال تولید گردید. ارزیابی عملکرد دستگاه و روش پیشنهادی با بررسی تأثیر پارامترهای کلیدی فرآیند ماشین‌کاری جریان ساینده شامل فشار اکستروژن هیدرولیک، تعداد سیکل‌های ماشین‌کاری و اندازه مش ساینده کاربید سیلیسیوم بر میانگین درصد تغییر در زبری سطح سر فمورال مفصل ران مصنوعی ساخته‌شده از فولاد زنگ نزن L316 انجام شد. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که دستگاه و روش پیشنهادی، روشی کارآمد و مؤثر برای ماشین‌کاری یکنواخت سر فلزی فمورال است. آزمایش‌های انجام‌شده نه‌تنها کارایی این روش را تأیید می‌کنند، بلکه نشان می‌دهند که میانگین درصد تغییر در زبری سطح نمونه‌ها با استفاده از ساینده‌های با مش 240، 600 و 1000 به ترتیب 40/40/%، 86/12% و 90/61% بهبود یافته است. همچنین، بررسی مورفولوژی سطح نمونه‌ها نشان داد که روش پیشنهادی سطحی صاف و یکنواخت بدون آسیب‌های سطحی ایجاد کرده است که منجر به بهبود یکپارچگی سطح مفصل ران مصنوعی می‌شود.

https://mej.aut.ac.ir/article_5769_bbc12a3a98d8487f58a87d3a3070516e.pdf

دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر 2008-6032 57 2 2025 04 21 Exoskeleton Robots and the Future of Rehabilitation; A Comprehensive Review on Lower-Limb Exoskeletons ربات‌های پوشیدنی و آینده توانبخشی; نگاهی جامع به اگزواسکلتون‌های پایین‌تنه 235 264 5771 10.22060/mej.2025.23908.7826 FA رضا حاجیان دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران محمدحسین خالصی دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران 0000-0002-1499-0565 علی سلطانی شریف آبادی دانشکده الکترونیک و فناوری اطلاعات، دانشگاه صنعتی ورشو، ورشو، لهستان Journal Article 2025 02 14 In the contemporary era, rapid advancements in robotic and electronic technologies have led to the extensive development of exoskeletons as advanced wearable devices. Integrating sensors, actuators, and artificial intelligence algorithms, these devices have significantly improved the quality of life for individuals with mobility impairments, enhanced physical capabilities for healthy users, and facilitated various industrial and military activities. This paper provides a comprehensive review of the historical evolution and progress of lower-limb exoskeletons, tracing their development from initial concepts in the 19th century to today's sophisticated models. The paper further examines the development trends, classifications, and applications of these systems within rehabilitation, medical, industrial, and military contexts. A functional analysis of the technology, focusing on objectives such as reducing inertial load forces, transferring weight to the ground, and enhancing human joint strength, reveals notable successes alongside ongoing challenges, including high production costs, technical complexity, and limitations in mimicking natural body movements. Additionally, emerging opportunities in fields such as sports, artificial intelligence, and user-centered design are discussed. Findings from this systematic review can aid in optimizing design, reducing device weight, and enhancing efficiency. Ultimately, the paper presents a future-oriented perspective on exoskeleton development, emphasizing their crucial role in everyday life and medical practices. در عصرحاضر، پیشرفت‌های سریع در فناوری‌های رباتیک و الکترونیکی منجر به توسعه گسترده اگزوسکلتون‌ها به عنوان فناوری‌های پیشرفته پوشیدنی شده است. این دستگاه‌ها با ادغام حسگرها، عملگرها و الگوریتم‌های هوش مصنوعی، توانسته‌اند نقش قابل‌توجهی در بهبود کیفیت زندگی افراد دارای ناتوانی‌های حرکتی، افزایش توانایی‌های فیزیکی کاربران سالم و تسهیل فعالیت‌های صنعتی و نظامی ایفا کنند. این مقاله با مروری جامع بر تاریخچه و تحولات اگزوسکلتون‌های پایین‌تنه از ایده‌های اولیه در قرن نوزدهم تا نمونه‌های پیشرفته امروزی، به بررسی روند پیشرفت، دسته‌بندی‌ها و کاربردهای این سیستم‌ها در حوزه‌های توانبخشی، پزشکی، صنعتی و نظامی می‌پردازد. تحلیل عملکردی این فناوری بر اساس اهدافی چون کاهش نیروی اینرسی بار، انتقال وزن به زمین و تقویت مفاصل انسانی نشان می‌دهد که علیرغم موفقیت‌های چشمگیر، چالش‌هایی مانند هزینه‌های تولید بالا، پیچیدگی‌های فنی و محدودیت در تطبیق با حرکات طبیعی بدن همچنان پابرجاست. همچنین، فرصت‌های نوظهور در حوزه‌های ورزشی، هوش مصنوعی و طراحی‌های کاربرمحور مورد بحث قرار گرفته‌اند. یافته‌های این پژوهش که مبتنی بر مرور سیستماتیک مطالعات است، می‌تواند به بهینه‌سازی طراحی، کاهش وزن و افزایش کارایی این دستگاه‌ها کمک کند. در نهایت، مقاله چشم‌اندازی از مسیر توسعه آینده اگزواسکلتون‌ها ارائه می‌دهد و بر نقش کلیدی آن‌ها در زندگی روزمره و پزشکی تأکید می‌کند.

https://mej.aut.ac.ir/article_5771_d156d4836ea87dd732cfda175b7911cb.pdf