نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

تحلیل دینامیک غیرخطی موتور استرلینگ پیستون آزاد با استفاده از روش هوموتوپی و الگوریتم ژنتیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار گروه مکانیک سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران
2 دانشگاه تهران
3 سازمان پژوهش های علمی و صنعتی ایران
10.22060/mej.2026.26013.7991
چکیده
موتورهای استرلینگ پیستون آزاد به دلیل ساختار ساده، کاهش اصطکاک مکانیکی و قابلیت استفاده از منابع حرارتی مختلف، به عنوان یکی از گزینه‌های مناسب برای تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی و الکتریکی مورد توجه قرار گرفته‌اند. با این حال، رفتار دینامیکی این موتورها ذاتاً غیرخطی بوده و دستیابی به نوسانات پایدار و پیش‌بینی دقیق فرکانس آن‌ها از چالش‌های مهم در تحلیل و طراحی این سامانه‌ها محسوب می‌شود. در این پژوهش، به منظور تحلیل دینامیک غیرخطی موتور استرلینگ پیستون آزاد، از روش هوموتوپی برای استخراج پاسخ تحلیلی سیستم استفاده شده و به‌منظور تخمین پارامترهای طراحی، الگوریتم ژنتیک به کار گرفته شده است. بر این اساس، چارچوبی تحلیلی برای بررسی رفتار نوسانی سیستم و تعیین شرایط دستیابی به چرخه حدی پایدار ارائه شده است. نوآوری اصلی این مقاله ارائه یک رویکرد تحلیلی مبتنی بر روش هوموتوپی و الگوریتم ژنتیک است که امکان بررسی دینامیک غیرخطی موتور استرلینگ پیستون آزاد و استخراج یک رابطه پارامتریک برای محاسبه فرکانس غیرخطی سیستم را به طور هم‌زمان فراهم کرده است. نتایج حاصل نشان می‌دهد که روش پیشنهادی قادر است رفتار غیرخطی سیستم را با دقت مناسبی پیش‌بینی کرده و ابزار مؤثری برای تحلیل و طراحی موتورهای استرلینگ پیستون آزاد فراهم آورد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Nonlinear Dynamic Analysis of a Free Piston Stirling Engine Using the Homotopy Method and Genetic Algorithm

نویسندگان English

Shahryar Zare 1
Mohammad Hossein Sangdani 2
Shahryar Niknejad 3
M. Barzegar Gerdroodbary 3
1 Department of Mechanical Engineering, Iranian Research Organization for Science and Technology (IROST), Tehran, Iran.
2 School of Energy and Sustainable Resources Engineering, College of Interdisciplinary Science and Technologies, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Department of Mechanical Engineering, Iranian Research Organization for Science and Technology (IROST), Tehran, Iran.
چکیده English

Free-piston Stirling engines have attracted considerable attention as an efficient technology for converting thermal energy into mechanical and electrical power due to their simple structure, reduced mechanical friction, and ability to operate with various heat sources. However, the inherently nonlinear dynamic behavior of these engines makes the prediction of stable oscillations and operating frequency a challenging task in their analysis and design. In this study, the nonlinear dynamics of a free piston Stirling engine are analytically investigated using the homotopy method to obtain an approximate analytical solution of the governing nonlinear equations. In addition, a genetic algorithm is employed to determine and adjust the effective parameters of the system. Based on this framework, the oscillatory behavior of the engine is analyzed and the conditions required to achieve a stable limit cycle are examined. The main novelty of this work lies in proposing an integrated analytical approach based on the homotopy method combined with a genetic algorithm that simultaneously enables the analysis of nonlinear dynamics and the derivation of a parametric relation for predicting the nonlinear operating frequency of a free piston Stirling engine. The obtained results demonstrate that the proposed approach can effectively capture the nonlinear behavior of the system and provide a useful tool for the analysis, design, and optimization of free piston Stirling engines.

کلیدواژه‌ها English

Renewable energy
free piston Stirling engine
Homotopy method
Genetic algorithm

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 27 شهریور 1405