علم و فناوری در مهندسی مکانیک
سال:1403 | دوره:3 | شماره:1 |تعداد مقالات:12

این مقاله به بررسی طراحی و ساخت دستگاه مکانیکی کنترل زاویه دو محوره مبتنی بر سخت افزار در حلقه به منظور ساخت بستر آزمون دو محوره پرداخته است. هدف از این دستگاه رسیدن به بستر آزمون کنترل دو محوره زاویه با خطای کوچک به منظور ارزیابی و تست حسگرهای وضعیت یا به عنوان میز دو درجه آزادی کوچک برای کنترل وضعیت اجزای ماهواره بوده است. دستگاه از دو بخش اصلی سازه مکانیکی و بخش الکترونیکی تشکیل شده و الگوریتم کنترلی در بستر سخت افزار در حلقه نوشته شده و قابلیت تعریف انواع کنترل-کننده ها بر روی آن وجود دارد. سازه از میله قابل دوران، کوپلینگ، یاتاقان ها، بدنه، پایه و بخش الکترونیکی از یک برد پردازشگر، حسگر انکودر، باتری، ماژول مخابراتی و یک موتور کورلس با دیسک دوار به عنوان چرخ عکس العملی، تشکیل شده است. این دستگاه بصورت دو درجه آزادی توانایی مانورهای وضعیت پیچ (pitch) و یاو (yaw)را داشته و خطای وضعیت آن متناسب با الگوریتم کنترلی است. قابلیت اطمینان دقت این دستگاه به ازای صد مرتبه تکرار آزمون برای مانورهای مذکور به ترتیب مقدار 11/0 و 2/0 درجه، با کنترل کننده PID، صحه گذاری شده است. تحلیل عملکرد دستگاه به ازای بررسی زوایای ورودی مختلف، ضرایب متنوع کنترل کننده، شرایط اولیه متفاوت، مانورهای تک محوره و دومحوره به تفصیل بررسی شده است. نتایج بدست آمده نشانگر عملکرد مناسب دستگاه ساخته شده با خطای میانگین کمتر از 23/0 درجه می باشد.

فوم های فلزی به دلیل ظرفیت بالا در جذب انرژی و در عین حال چگالی پایین، کاربردهای زیادی در ساخت سازه های مختلف مانند انواع سپرهای محافظ و سازه های محافظ جهت جلوگیری از بار ناشی از انفجار و جذب بارها به ویژه بار های ضربه ای دارند. هدف از این پژوهش، بررسی نحوه پاسخ پروفیل در حالت تک جداره و دو جداره تحت بار ضربه ی جانبی و محوری با هدف ارزیابی مقدار تأثیر استفاده از فوم آلومینیومی بر استهلاک انرژی وارده ناشی از ضربه است. ابتدا پروفیل های مربعی تک جداره و دو جداره در محیط نرم افزار تحلیلی آباکوس شبیه سازی و تأثیر پارامترهایی مانند چگالی فوم آلومینیوم، استفاده از یک جداره یا دوجداره، تأثیر برهم کنش بین فوم و دیواره بر رفتار عمومی سازه مورد بررسی قرار گرفت. پس از ساخت نمونه ها، آزمون‎ های اعمال ضربه جانبی و محوری با استفاده از سقوط وزنه انجام گرفت و جهت صحت سنجی با نتایج شبیه سازی ضربه جانبی و محوری مقایسه شدند. نتایج نشان داد که فوم آلومینیومی عملکرد مناسبی بر مقدار لهیدگی و جذب انرژی سازه تحت بار ضربه محوری دارد اما در حالت ضربه جانبی، به دلیل خاصیت شکنندگی(تردی) زیاد، استفاده از فوم تهیه شده در سازه تحت ضربه مناسب نبود. پر شدن پروفیل آلومینیومی به صورت کامل با فوم آلومینیومی سبب کاهش 18 درصدی مقدار تغییر طول پروفیل تحت ضربه محوری شد. در نمونه های محوری پروفیل خالی تحت ضربه مقدار 16 میلی متر تغییر طول داشت که ماکزیمم نیروی لهیدگی آن 30 کیلو نیوتون اندازه گیری شد. اما برای مقاوم ترین پروفیل که پروفیل دوجداره با جدار داخلی 20*20 میلی متر است.

لوله جاذب بخش اصلی جمع کننده های خورشیدی است که ظاهر و ویژگی عملکردی آن می تواند نقش کلیدی در جذب مقادیر تابش خورشید داشته باشد. محققان پیشنهادات مختلفی را برای بهبود عملکرد کلکتور خورشیدی ارائه کرده اند، مانند قرار دادن توربولاتور در لوله جاذب و استفاده از نانوسیال (به ویژه نانوسیالات هیبریدی) به جای سیال کار ساده. در مطالعه حاضر، اشکال مختلف توربولاتورهای پیشنهادشده توسط محققین بررسی شده است. توربولاتورها را می توان بر اساس شکل آنها طبقه بندی کرد. در دسته اول، با ایجاد دنده یا موج روی دیواره داخلی لوله جاذب تلاطم در جریان سیال ایجاد می شود. اما در دسته دوم می توان موانع خارجی را در لوله جاذب قرار داد تا عملکرد آن را بهبود بخشد. بیشتر متون در مورد دسته دوم توربولاتور بحث کردند. با مقایسه عملکرد مشخصه های انتقال حرارت و مکانیک سیالات بین لوله های جاذب صاف با لوله های بهبود یافته، می توان نتیجه گرفت که افزودن توربولاتور خواص حرارتی انواع جمع کننده ها را تا 82 درصد افزایش می دهد. توربولاتورها به دلیل عملکرد خود به عنوان مانعی در جریان سیال می توانند افت فشار و ضریب اصطکاک را افزایش دهند. همچنین استفاده از نانوسیالات (به ویژه نانوسیالات هیبریدی) در کنار توربولاتورها می تواند عملکرد جمع کننده ها را بهبود بخشد. با این حال، چندین ویژگی مانند غلظت نانو ذرات، انواع مختلف نانو سیال و جمع کننده های هیبریدی، اشکال مختلف توربولاتور و غیره، همگی پارامترهای موثر بر عملکرد کلکتور هستند.

این مطالعه به بررسی رفتار جریان آشفته در یک کانال افقی حاوی استوانه های بیضوی با ضریب منظر 0.45 و 0.5 و عدد رینولدز 5000 پرداخته است. با استفاده از روش اجزا محدود برای حل معادلات حرارت و سیالات، تاثیر پارامترهایی مانند میزان انتقال حرارت، عدد ناسلت، توزیع دما و توزیع سرعت بر جریان سیال مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که حضور سیلندرها باعث افزایش گردابه ها و تغییر الگوهای جریان از متقارن به نامتقارن می شود. همچنین، با افزایش عدد رینولدز، جریان به طور فزاینده ای آشفته شده و مکانیک چرخشی سیلندرها به توزیع متفاوت دما و سرعت کمک می کند. در بررسی جریان حول استوانه های بیضوی، مشاهده شد که نقطه ماکزیمم دمایی در حالت خواص ثابت بین استوانه سوم و چهارم و در حالت خواص متغییر پشت استوانه پنجم رخ می دهد. همچنین، سرعت سیال تاثیر بیشتری بر میزان انتقال حرارت نسبت به سطح تبادل حرارتی دارد. کاهش ضریب منظر منجر به کاهش میزان انتقال حرارت در جریان مغشوش می شود و کانتورهای دما در این جریان یکنواخت تر هستند که به علت اختلاط و ارتعاشات عرضی جریان آشفته است. این یافته ها می توانند به بهبود طراحی سیستم های انتقال حرارت و کنترل جریان در کاربردهای مهندسی کمک کنند.

جداسازی و فیلتراسیون مکانیکی فازهای جامد و مایع به کمک دستگاه سانتریفیوژ پوشر، عملیاتی متداول در صنایع مختلف به شمار می رود. آنچه که در مطالعه حاضر مد نظر است، تحلیل ساختار و عملکرد دینامیک دستگاه سانتریفیوژ پوشر دو مرحله ای است. در این راستا تحلیل این فرآیند در قالب سه فاز تحلیل مودال، تحلیل رفتار ذرّات، و تحلیل دینامیک حالت گذرا انجام شده است. نتایج تحلیل مودال نشان داده است که حاشیه ایمنی به دست آمده در زمینه وقوع تشدید برای مجموعه و زیر مجموعه سبد داخلی ناشی از نیروهای اینرسی خطی و دورانی 40% بوده است. همچنین بر اساس نتایج تحلیل دینامیک گذرا مدّت زمان پایداری رفتار ذرّات در حدود 5.5 s یا 68% مدّت زمان تغذیه ذرّات، جابجایی حداکثر در نقطه بحرانی زیرمجموعه سبد داخلی حداکثر 1.3 mm، و تنش بحرانی وارد شده بر آن در حدود 70 MPa است؛ که به معنای استحکام مکانیکی قابل قبول مجموعه در مقابل تنش ها و کرنش های ناشی از عملکرد دستگاه است. آنچه که با توجّه به نتایج تحلیل انجام شده می توان استنباط نمود، توصیه بر حفظ حرکت دورانی حداکثر (36.68 rad/s) و عدم تغییر قابل توجّه نرخ تغذیه ذرّات نسبت به مقدار مشخّص شده (0.56 kg/s) می باشد.

هدف از این تحقیق، تولید کامپوزیت زمینه آلیاژهای مس تقویت شده با ذرات الماس میکرونی و بررسی خواص مکانیکی این کامپوزیت است. از مهم ترین مسائل ساخت این نوع کامپوزیت ، بهینه سازی استحکام ذرات الماس در زمینه فلزی و خواص سایشی مد نظر این نوع کامپوزیت است. پودرهای کامپوزیتی با استفاده از آسیابکاری پرانرژی (سایشی) و به روش سینتر پرس داغ تولید شدند. به منظور بررسی استحکام خمشی، سختی و خواص سایشی، نمونه ها با اضافه کردن فلزات مختلف به زمینه، شرایط مختلف آسیابکاری و پارامترهای مختلف فشار داغ، ساخته شدند. هدف از این تحقیق، تولید کامپوزیت زمینه آلیاژهای مس تقویت شده با ذرات الماس میکرونی و بررسی خواص مکانیکی این کامپوزیت است. از مهم ترین مسائل ساخت این نوع کامپوزیت ، بهینه سازی استحکام ذرات الماس در زمینه فلزی و خواص سایشی مد نظر این نوع کامپوزیت است. پودرهای کامپوزیتی با استفاده از آسیابکاری پرانرژی (سایشی) و به روش سینتر پرس داغ تولید شدند. به منظور بررسی استحکام خمشی، سختی و خواص سایشی، نمونه ها با اضافه کردن فلزات مختلف به زمینه، شرایط مختلف آسیابکاری و پارامترهای مختلف فشار داغ، ساخته شدند.

استفاده از فناوری احتراق کم دما در موتور منجر به بهبود مشخصات عملکردی و آلایندگی می شود. لیکن، مهمترین موانع استفاده از این نوع احتراق در تولید انبوه موتورها عبارتند از بازة کارکردی محدود و چالش کنترل ناپذیری احتراق. برای استفاده از مزایای این نوع احتراق، در آن نقاط کاری که احتراق کم دما قادر به ارایة آن نیست، می توان از احتراق دیزلی استفاده نمود. مطالعة تجربی در این پژوهش بر روی یک موتور دیزلی، آشکار می سازد که تغییر زمان شروع پاشش سوخت به درون محفظة احتراق موتور از 176 تا 2 درجة زاویة لنگ پیش از نقطة مرگ بالا، منجر به تغییر نوع احتراق می شود. تزریق سوخت در نزدیکی نقطة مرگ بالا از 11 تا 2 درجة زاویة لنگ پیش از نقطة مرگ بالا، که نتیجة آن وابستگی زمانی پدیده های تزریق و احتراق است، منجر به احتراق دیزلی می گردد. در این ناحیه، مقدار حساسیت احتراق که شاخصی است از میزان اثرگذاری زمان بندی پاشش سوخت بر زمان بندی احتراق بین 2/1 تا 3/1 است. با پیش اندازی پاشش سوخت به زمانهای زودتر در مرحلة تراکم از 86 تا 176 درجة زاویة لنگ پیش از نقطة مرگ بالا و فراهم آوردن فرصت کافی برای اختلاط همگن سوخت و هوا، احتراق اشتعال تراکمی مخلوط همگن، که مقدار حساسیت احتراق در آن حدوداً صفر است، بدست می آید. تزریق سوخت در بین این دو محدوده، که مخلوط نه کاملاً همگن و نه کاملاً لایه لایه است، منجر به احتراق تقریباً پیش آمیخته می شود. در این ناحیه، مقدار حساسیت احتراق بین 1/0 تا 2/0 است.

یک سیستم جدید ذخیره سازی انرژی هوای فشرده که با سرمایش، گرمایش و برق ترکیبی یکپارچه شده است در این مطالعه پیشنهاد و بررسی می شود. سیستم مورد بررسی از گوگرد دی اکسید به عنوان سیال کاری زیر سیستم تبرید اجکتوری جهت تولید خنک کننده استفاده می کند که تاکنون در مطالعات قبلی به کار گرفته نشده است و حرارت اتلافی بازیابی شده و در ذخیره ساز هوای فشرده ذخیره می شود که جنبه نوآورانه مطالعه حاضر را نشان می دهد. تحلیل ترمودینامیکی و اقتصادی کامل و جامعی روی سیستم پیشنهادی انجام می شود. سیستم پیشنهادی از دیدگاه های مختلف مورد بررسی قرار می گیرد و عملکرد سیستم از طریق پارامترهای خروجی کمی سازی می شود. با استفاده از توابع هزینه به روز سیستم مورد مطالعه از جنبه اقتصادی بررسی می شود تا مقرون به صرفه بودن سیستم پیشنهادی به خوبی نمایان شود. علاوه بر این، یک تحلیل پارامتریک برای ارزیابی رفتار سیستم با تغییر پارامتر های کلیدی در شرایط کاری گوناگون انجام می شود. نتایج تحلیل ترمودینامیکی نشان دهنده عملکرد ترمودینامیکی مطلوب سیستم پیشنهادی است به صورتی که بازده انرژی 21 درصد و بازده اگزرژی 55 درصد برای سیستم مورد مطالعه حاصل می شود. به علاوه، با تحلیل اقتصادی صورت گرفته هزینه کل سیستم 232 دلار بر گیگا ژول به دست می آید.

ترکیب آلومینیم و آلیاژهای آن با فرایند متالورژی پودر، صنایع مختلف را قادر ساخته است که ضمن استفاده از خواص منحصر به فرد این فلز سبک، از مزایای تولید به روش متالورژی پودر نیز بهره ببرند. در این تحقیق از تقویت کننده B4C جهت استحکام بخشی به آلیاژ آلومینیم 5083 استفاده، و نانوکامپوزیت Al-B4C به روش آلیاژسازی مکانیکی تولید و سپس عملیات اکستروژن و پرس-سینتر بر روی پودرها انجام گرفت. تولید پودرهای Al5083 و Al5083-B4C طی عملیات آلیاژسازی به مدت 24 ساعت و با نسبت گلوله به پودر 20:1 و تحت اتمسفر آرگون صورت گرفت. ابتدا پودرهای تولیدی توسط پرس سرد فشرده شده و سپس نمونه های پرس-سینتر در دمای 600 درجه تحت اتمسفر نیتروژن و نمونه های اکستروژن تحت دمای 505 درجه با نسبت اکستروژن 9:1 اکسترود شده اند. در ادامه رفتار تغییر شکل Al5083 در محدوده ی دمایی 350-550 و نرخ کرنش 01/-0/1 مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین یک معادله ی ساختاری در هر یک از حالات تولیدی برای تنش سیلان به صورت سینوس هایپربولیک بدست آمده است. ریز ساختار نمونه های تولیدی به هر دو روش اکستروژن و پرس-زینتر قبل از آزمون فشار گرم نیز توسط میکروسکوپ نوری (OM) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مجهز به طیف سنج EDS مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج آزمون های ترمومکانیکی و مطالعات ریزساختاری نشان می دهد، نمونه های تولیدی به روش اکستروژن خواص مکانیکی مطلوب تری نسبت به نمونه های پرس-سینتر را دارند.

تهویه طبیعی از مهمترین استراتژی های غیرفعال کاهش مصرف انرژی ساختمان، ایجاد آسایش حرارتی و بهبود کیفیت هوای داخل ساختمان است و از راه حل های کلیدی برای دستیابی به پایداری در صنعت ساختمان می باشد. از طرف دیگر، پتانسیل تهویه طبیعی به شدت وابسته به شرایط آب و هوایی است و به طور قابل توجهی از منطقه ای به منطقه دیگر متفاوت است. در این مقاله امکان سنجی سرمایش غیرفعال و تهویه طبیعی برای شهرهای مختلف ایران انجام شده است. شهرهای ایران با روش اقلیم شناسی کوپن - گایگر به 9 اقلیم تقسیم می شوند. تاثیر شرایط اقلیمی برای تهویه طبیعی ساختمان ها با استفاده از روش کوپن - گایگر و چند شهر منتخب در این اقلیم ها توسط نرم افزار کلایمنت کانسالتنت با روش استاندارد ASHRAE 55 انجام شد. با وارد کردن فایل پارامترهای آب و هوایی شهرهای منتخب در نرم افزار کلایمنت کانسالتنت نتایج خروجی شامل شرایط آسایش، تهویه طبیعی و دیگر نتایج برای 9 اقلیم ایران بدست آمد. نتایج نشان داد که اقلیم شهر آبادان با 673 ساعت بیشترین تهویه طبیعی و اقلیم شهرهای رشت و انزلی با مقدار زیر 10 ساعت کمترین مقدار آسایش را با استفاده از تهویه طبیعی تامین می کنند. همچنین شهرهای یزد و سبزوار به ترتیب با 25.8 درصد و 22.5 درصد در سال بیشترین پتانسیل و شهرهای انزلی و مشگین شهر به ترتیب با 0.1 و 0.8 درصد کمترین پتانسیل استفاده از سیستم سرمایش تبخیری ( کولر آبی ) را دارند.

در این مطالعه یک سیستم تولید چندگانه جدید مبتنی بر انرژی زمین گرمایی مورد بررسی قرار گرفته است. این سیستم شامل یک چرخه رانکین آلی اصلاح شده، یک چیلر جذبی تک اثره و یک چرخه مایع سازی هیدروژن است که توان، حرارت، سرما و هیدروژن مایع را تولید می کند. در سیستم پیشنهادی با به کارگیری انرژی زمین گرمایی به عنوان منبع تامین انرژی اولیه مورد نیاز برای تولید هیدروژن مایع باعث می شود که آلایندگی زیست محیطی به کمترین مقدار خود برسد. گاز هیدروژن تولید شده با الکترولایزر در سیستم پیشنهادی توسط ترنسفورمر گرمای جذبی پیش سرمایش شده و توان مصرفی چرخه مایع سازی هیدروژن کاهش می یابد. در مطالعه حاضر تاثیر تغییرات پارامترهای عملکردی مهم روی کارکرد سیستم ارزیابی شده است. به علاوه عملکرد بهینه سیستم با استفاده از الگوریتم دو هدفه ژنتیک مورد بررسی قرار گرفته است و با استفاده از معیار تصمیم گیری تاپسیس نقطه بهینه سیستم به دست می آید. تحلیل ترمودینامیکی کاملی در مطالعه حاضر صورت می گیرد و نتایج حاصل نشان می دهد که بازده انرژی 42 درصد و بازده اگزرژی 51 درصد برای سیستم پیشنهادی به دست می آید. ارزیابی اقتصادی صورت گرفته در مطالعه حاضر با استفاده از توابع هزینه به روز نشان می دهد که هزینه کل سیستم تولید چندگانه 16/37 دلار بر گیگا ژول بدست می آیدکه توجیه اقتصادی بالای سیستم پیشنهادی را بیان می کند.

در شرایط غیرایده آل جوی، دستگاه سنجش فاصله برای کاهش خطا در فرود هواپیما باید در موقعیت بهینه ای باشند. در این راستا، منطق فازی بازه ای به عنوان روشی کارآمد در تعیین موقعیت بهینه دستگاه سنجش فاصله استفاده می شود. با این روش، فاکتورهایی نظیر شرایط هوا، مسیر پرواز و سایر متغیرهای مرتبط، به صورت فازی ارزیابی و موقعیت بهینه دستگاه سنجش فاصله تعیین می شود. زمانی که فاصله های غیر یکسان از باند فرود نرمال برای هر یک از سنجش گرها برقرار باشد، نیاز به شناسایی مناسب ترین مکان جهت قرارگیری سنجش گر ثانویه وجود دارد. به همین منظور سیستم به صورت پویا طراحی شده است، به شکلی که پس از شناسایی سنترلاین مفروض بر اساس نحوه قرارگیری اولیه هر یک از سنجش گرها، در نهایت جایگاه مناسب و محل قرارگیری بهینه برای سنجش گر ثانویه شناسایی می شود. این شرایط تنها در صورت غیر یکسان بودن هر دو سنجش گر حاصل خواهد شد. نتایج نشان می دهد که استفاده از الگوریتم گرگ خاکستری تاثیر قابل توجهی در بهبود شرایط فرود هواپیما دارد. با استفاده از این الگوریتم، کاهش تاثیر توربولانس از 20% به 40% افزایش یافته است. احتمال خطای فرود نیز از 10% به 5% کاهش یافته و دقت اندازه گیری از 85% به 95% افزایش پیدا کرده است. این نتایج نشان دهنده بهبود قابل توجه در امنیت فرود هواپیما در شرایط غیرایده آل می باشد. با توجه به کاهش تاثیر توربولانس و افزایش دقت اندازه گیری، الگوریتم گرگ خاکستری نقش مهمی در بهبود ایمنی و کارایی فرود هواپیما ایفا می کند.