در این پایان نامه توزیع تنش در دیسک های دوار با ضخامت و چگالی متغیر در حالت کشسان و کشسان-مومسان با مدل رفتاری مواد به صورت کشسان–سخت شونده خطی مورد تجزیه و تحلیل قرارگرفته می شود. برای انجام این امر از روش های تحلیلی و عددی استفاده شده است. تئوری های مورد استفاده در حل معادلات غیر خطی حاکم بر دیسک ها هموتوپی پرتوربیشن، حساب تغییرات تکراری و جداسازی آدومین می باشند. به علت مشکلات و محدودیت های روش های دیگر از جمله رو ش های قدیمی پرتوربیشن، از این روش ها برای مدل کردن دیسک های دوار در حالت کشسان و کشسان-مومسان استفاده شده است. در مورد روش عددی، معادلات دیفرانسیل حاکم بر دیسک ها به وسیله روش رونگ-کوتا مرتبه 4 برای نواحی کشسان و کشسان-مومسان حل شده است. در این تحلیل معیار تسلیم ترسکا مورد نظر است و رفتار مواد به صورت کرنش سختی خطی فرض گردیده است. نتایج هر دو روش به صورت تئوری و عددی مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت و سازگاری بسیار زیادی ما بین نتایج روش ها مشاهده شد.

در این پروژه یافتن بهینه ترین شکل انتهای گنبدی شکل مخازن تحت فشار مورد تحلیل قرار گرفته است. مخازن تحت فشار در صنایع مختلف و رشته های مختلف مهندسی مکانیک و هوا-فضا بسیار پرکاربرد و مهم هستند. مخازن تحت فشار به دلیل حساس بودن در قسمت انتهای گنبدی شکل شان، مورد تحلیل و مطالعه بسیاری قرار گرفته اند. در این زمینه از روش های مختلف طراحی و الگوریتم های مختلف بهینه سازی کمک گرفته شده است. در این پایان نامه به طور خاص از ترکیب دو روش تحلیل اجزای محدود و الگوریتم بهینه سازی pso برای طراحی شکل انتهای گنبدی شکل مخازن استفاده شده است. الگوریتم بهینه سازی pso از جدیدترین الگوریتم های بهینه سازی ارائه شده است که کاربرد بسیاری مخصوصا در بهینه سازی شکل ساختارهای مکانیکی دارد. در اینجا چهار نوع از شکل های جدیدتر و به روز تر آن در ترکیب با روش تحلیل اجزای محدود برای الگوریتم نهایی طراحی مورد استفاده قرار گرفته است. پارامترهای طراحی در این پایان نامه یکی بالا تر بردن استحکام نهایی و دوم، بدست آوردن حجم بالاتر برای پروفیل نهایی انتهای گنبدی شکل مخازن تحت فشار در نظر گرفته شده و پروفیل های نهایی بدست آمده دارای بالاترین استحکام و بیشترین حجم بین تمامی پروفیل های ممکن هستند. با توجه به نتایج بدست آمده و مقایسه آنها با نتایج پیشنهاد شده توسط استانداردهای موجود برای مخازن تحت فشار، قدرت این ترکیب روش ها برای یافتن پروفیل های انتهایی گنبدی شکل بهتر مشخص شده است.

یکی از شکستگی های شایع در اسکلت بدن، شکستگی استخوان ران می باشد که به انواع گوناگون تقسیم می شود. یکی از دلایل مهم شکستگی، طول زیاد آن به عنوان بلندترین استخوان بدن انسان می باشد که البته از آنجا که استخوان ران پا، یکی از اصلی ترین اعضا در تحمل نیروی وزن بدن است بنابر این سلامت آن برای ادامه زندگی انسان از اهمیتی بالایی برخوردار است. یکی از شکستگی هایی که در این استخوان رخ می دهد مربوط به شکستگی های ایجاد شده توسط وارد آمدن ضربه های شدید به علت پرت شدگی، حوادث رانندگی و موارد مشابه دیگر به استخوان ران، می باشد که اگرچه در جوانان بیشتر به چشم می خورد ولی از نظر پزشکی به گروه خاصی بستگی ندارد. مورد دیگری که می توان به آن اشاره کرد، شکست در ناحیه گردن ران می باشد که اغلب در افراد مسن اتفاق می افتد که دلیل آن نیز کاهش شدید تراکم استخوان، بعد از سنین میان سالی است. در دنیای امروز با توجه به افزایش میانگین طول عمر و کم تحرکی در سنین مختلف که از افزایش امکانات رفاهی سرچشمه می گیرد، که هر دو از دلایل کاهش تراکم استخوان می باشند، این پدیده با سرعت چشمگیری رو به افزایش است. برای هر یک از این نوع شکستگی ها درمان خاصی پیشنهاد می شود که اغلب توط روش های تجربی بدست آمده است زیرا که پیچیدگی هندسی و خواص ناهمسانگرد این استخوان، تحقیقات را در این زمینه با مشکلات زیادی مواجه کرده است. قابل قبول ترین روش موجود درتحلیل قطعات بیومکانیکی، تحلیل به روش اجزای محدود است. هدف این تحقیق ارائه یک مدل شبیه سازی شده از استخوان ران انسان به روش تحلیل اجزای محدود می باشد. این تحلیل توسط نرم افزار انسیس 10 انجام پذیرفته است. در این پژوهش، ابتدا به چگونگی ساخت یک مدل هندسی از استخوان ران انسان به روش مدل سازی مهندسی معکوس پرداخته شده است و در ادامه با تحقیق در مورد خواص ماده استخوان و ساده سازی های موجود در آن به شبیه سازی یک مدل نیمه کامل استخوان ران و تحلیل استاتیکی آن تحت سه نوع بارگذاری مختلف اعم از بارگذاری متمرکز، گسترده به صورت کامل و بخشی گسترده پرداخته شده است و با استفاده از نتایج بدست آمده تئوری و آزمایشگاهی در مطالعات گذشته، صحت این شبیه سازی و ساده سازی های انجام گرفته، اثبات گردید. در قسمت بعد، شبیه سازی استخوان کامل ران پای انسان در هنگام راه رفتن ساده در حالت ایستاده بر روی یک پا انجام شد و به تحلیل رفتار مکانیکی آن تحت سه نوع بارگذاری، پرداخته شد و بعد از بدست آمدن نتایج و مقایسه آنها با کارهای پیشین و مراجع جدید موجود به ارائه و تصحیح چگونگی توزیع تنش، کرنش و جابجایی در نواحی مختلف آن، از جمله نواحی بحرانی در پدیده شکست بیومکانیکی پرداخته شده است.

یکی از اصلی ترین روش ها برای درمان بیماری انسداد شریان های کرونری قلب، استفاده از وسیله ای به نام استنت می باشد. به خاطر کارآیی این روش درمانی، در سال های اخیر استفاده از این وسیله افزایش چشمگیری یافته و مدل های متنوعی از آن به بازار عرضه شده است. برای انتخاب بهترین مدل استنت از میان مدل های موجود، باید عملکرد آنها به دقت تحلیل شده و رفتار مکانیکی مدل های مختلف آن مورد مقایسه قرار گیرد. در تحقیق حاضر، عملکرد یک استنت شریانی در هنگام جاگذاری در داخل یک رگ مسدود شده به روش اجزای محدود مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور، از مدلی شامل سه بخش بالون، استنت و رگ همراه با پلاک مسدود کننده، استفاده شده است و در آن استنت با استفاده از مدل کشسان- مومسان دو خطی و بالون، رگ و پلاک مسدودکننده نیز با استفاده از مدل غیر خطی هایپرالاستیک مدل شده اند. ضمناً فشار خون نیز در مدل سازی در نظر گرفته شده است. همچنین در مدل ارائه شده، هر سه مرحله جاگذاری استنت در داخل رگ شامل بارگذاری، تثبیت و باربرداری شبیه سازی شده است. در بخش دیگری از این تحقیق، تأثیر هندسه و جنس استنت بر عملکرد آن بررسی شده است. بدین منظور چهار مدل استنت تجاری شامل استنت های پالماز- اسچاتز، ان آی آر، مولتی- لینک و اس سون مدل سازی شده و عملکرد آنها در هنگام جاگذاری مورد مقایسه قرار گرفته است. نتایج ارائه شده در هر مورد شامل توزیع تنش بر روی استنت و رگ، تغییرات قطر خارجی استنت، خمش ایجاد شده در لبه های استنت و درصد کاهش طول استنت می باشد. همچنین با مقایسه مقدار تنش ایجاد شده بر روی رگ، تأثیر هندسه و جنس استنت بر گرفتگی مجدد پس از استنت گذاری مورد بررسی قرار گرفته است. بر اساس یافته های این تحقیق، از بین استنت های بررسی شده، احتمال گرفتگی مجدد پس از استفاده از استنت اس سون کمتر از بقیه مدل هاست. همچنین از بین مواد بررسی شده نیز، ماده فولاد ضد زنگ 304 مناسب ترین ماده برای ساخت استنت می باشد. نتایج بدست آمده از این تحقیق، مطابقت خوبی با یافته های کلینیکی و عددی ارائه شده در این زمینه دارند.

روشهای فراصوتی کاربرد بسیار گسترده ای در تعیین عیوب درونی مواد دارند، همچنین از آنها می توان برای تعیین ترکهای زیرسطحی نیز استفاده کرد. در آزمون فراصوتی، امواج زیرسطحی جزء آن دسته از امواج محسوب می شوند که تمرکز انرژی آن ها در زیر سطح قطعه کار قرار دارد، به همین دلیل این امواج به زبری سطح غیر حساس بوده و از آن ها می توان برای تشخیص عیوب زیرسطحی استفاده کرد. انرژی این امواج در تعامل اثر مستقیم با موج پیشرو قرار دارد. موج پیشرو هنگامی بوجود می آید که موج فشاری از نقطه ی خروجی گوه تراگذار شکسته شود. موج شکسته شده، یک خط ارتعاشی از ذرات بوجود می آورد که از مرکز موج برشی شروع شده و به سطح خارجی ماده، یعنی ناحیه ای که پرتو انتشار موج فشاری در تقابل اثر با سطح قرار می گیرد، بسط پیدا می کند. تفسیر نتایج آزمون های فراصوتی، نیازمند شناخت چگونگی انتشار موج و تعامل اثر آن با عیوب و سطوح مختلف است. در این تحقیق با بررسی تئوری انتشار امواج زیرسطحی و پیشرو و بکارگیری روش اجزاء محدود، بازرسی فراصوتی به کمک این امواج و تعامل اثر آن ها با سطوح و عیوب مختلف شبیه سازی شده است. انتشار امواج فراصوتی حاصل از تحریک پروب فراصوتی در قطعه ی دارای عیب، به صورت دو بعدی و در حالت کرنش صفحه ای شبیه سازی شده و سیگنال های فراصوتی حاصل از این شبیه سازی ثبت شده است. علاوه بر این، آزمایش های تجربی نیز بر روی بلوک های فولادی انجام شده و نتایج حاصله با نتایج مدل سازی مقایسه و درصد خطای هر روش، برای شناسایی عیوب مختلف محاسبه شده است. از نتایج به دست آمده برای بهبود تشخیص سیگنال های فراصوتی و همچنین انتشار امواج زیرسطحی و پیشرو در برخورد با سطوح مختلف استفاده شده است.

تماس یکی از اصلی ترین روش های انتقال نیرو بین اجسام است. مسائل تنش های تماسی در محدوده وسیعی از کاربردهای مهندسی مانند دندانه های درگیر چرخدنده ها، تماس بین چرخ یک واگن و ریل، بادامک ها و یاتاقان های غلتشی قابل طرح و تحلیل است و اهمیت آنها در مهندسی نوین و طراحی های صنعتی امروزی رو به افزایش است. بدیهی است که کیفیت سطوح تماسی اجسام در حال تماس، نقش بسزایی در انتقال نیروهای تماسی دارند و وجود زبری در سطوح آنها عاملی بسیار مهم در ایجاد تنش های تماسی می باشد. در این تحقیق تماس بین دندانه های درگیر در چرخدنده های ساده، با استفاده از روش های تحلیلی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. همچنین سطوح تماسی بصورت زبر و در حضور عامل اصطکاک در نظر گرفته شده است. زبری های سطوح با استفاده از توابع سهموی و با قیدهای مختلف، تقریب زنی شده و به کمک مدل های مکانیک تماسی کشسان – مومسان بصورت تک و چند زبری مورد تحلیل قرار گرفته است. با بکارگیری مدل اصطکاکی زبری پایه، نیروهای مماسی وارد بر هر تک زبری نیز بررسی گردیده و بدین ترتیب ضریب اصطکاک مربوط به سطوح تماسی زبر در بارهای مختلف محاسبه گردیده است. به منظور بررسی اعتبار تحلیل از تئوری مشهور هرتز و مدل کشسان تماس بین دو استوانه استفاده شده و تاثیر دو عامل کلیدی زبری سطح و اصطکاک در نواحی کشسان- مومسان بر روی تنش های تماسی و برشی مورد مطالعه قرار گرفته است. با تمرکز بر نتایج تحلیل مشاهده می شود که زبری های سطوح موجب افزایش قابل ملاحظه ای در تنش های تماسی موضعی، در مقایسه با شرایط تئوری هرتز بدون لحاظ نمودن زبری می گردد و در این حالت مقادیر تنش های تماسی با ورود به ناحیه کشسان – مومسان، بدلیل آغاز جریان مومسانی و وجود کرنش های مومسان کاهش محسوسی می یابد. همچنین در نظر گرفتن نیروهای مماسی باعث می شود مقادیر حداکثر تنش های برشی، که در فاصله اندکی در زیر سطوح تماسی رخ می دهد و از مهمترین عوامل خرابی سطوح دندانه های چرخدنده های ساده بشمار می رود، نسبت به مدل تماسی هرتز افزایش چشمگیری یابد.

در این رساله، قطاع و دیسک دوارِ ضخامت متغیر و مدرج در جهت (های) شعاعی-ضخامت با اعمال فشار جانبی مطالعه شده است. بارگذاری حرارتی، در دو حالت با در نظر گرفتن و بدون در نظر گرفتنِ دما های مابین شعاع های داخلی و خارجی اعمال شده است. برای تعیین دمای نقاط مابین شعاع های داخلی و خارجی از قوانین انتقال حرارت هدایتی استفاده شده است. برای تحلیل کشسان-مومسان، از دو رابطه مختلف؛ یعنی حالت ایده آل کشسان-سخت شونده خطی و کشسان-سخت شونده غیر خطی، استفاده شده است. بطور کلی برای تحلیل از روش های تحلیلی هموتوپی، تجزیه آدمیان، تکرار تغییراتی، گسسته سازی، حل لِوی، خواص ماده متغیر و اجزاء محدود، استفاده شده است. روش خواص ماده متغیر نسبت به دیگر روش ها، برتری دارد که دلایل آن، نیاز به امکانات سخت افزاری کم، زمان پردازش نسبتاً پایین و قدرت بالای تحلیل منطقه مومسان با استفاده از فقط روابط حاکم بر منطقه کشسان، می باشد. این در حالیست که روش های تحلیل هموتوپی، تجزیه آدمیان و تکرار تغییراتی، نیاز به زمان پردازش بالا و امکانات سخت افزاری قوی دارند. همچنین تاثیر تغییرات برخی پارامترهای موثر بر مولفه های جابجایی، تنش و کرنش، با جزئیات ارائه و بحث شده است. تحلیل مودال داخل-صفحه ای دیسک با استفاده از روش ریلی-ریتز و اجزاء محدود انجام شده است. همچنین، با استفاده از الگوریتم ژنتیک اصلاح شده، انبوه ذرات اصلاح شده و اجزاء محدود، بهینه سازی دیسک دوار به منظور کمینه سازی وزن دیسک، انجام شده است. بخشی از نتایج تحلیل تنش-کرنش، مودال و بهینه سازی، در زیر ارائه شده است: اگر دمای دیسک افزایش یابد، جابجایی های شعاعی و عرضی در دیسک با خواص وابسته به دما از دیسک با خواص مستقل از دما، بیشتر است . بکارگیری دیسک دوار مدرج شعاعی-ضخامت، سبب می شود که خیز ناشی از فشار جانبی و خیز ناشی از اختلاف مقادیر ضریب انبساط حرارتی (در راستای ضخامت)، تا حدودی یکدیگر را خنثی کنند. افزایش مقدار شاخص درجه بندی در جهات شعاعی و ضخامت از صفر تا بی نهایت، موجب کاهش مولفه های جابجایی و افزایش دوران صفحه میانی خواهد شد. افزایش مقدار توان و ضریب ثابت در پروفیل ضخامت، سبب کاهش مولفه های تنش می شود. اگر مدول یانگ سطح خارجی دیسک از سطح داخلی آن کمتر باشد، با افزایش مقدار شاخص درجه بندی شعاعی (خواص نقاط مادی دیسک از خواص شعاع خارجی به خواص شعاع داخلی میل کند)، نقاط مادی بیشتری وارد منطقه مومسان می شود. کاهش مدول یانگ کشسان/موثر و افزایش نسبت پواسان کشسان/موثر، موجب افزایش جابجایی در به ترتیب مناطق کشسان/مومسان می شود. اگر دیسک دوار مدرج در جهت ضخامت باشد، موقعیت صفحه ی با حداکثر تنش برش عرضی در راستای ضخامت، صفحه ی میانی نمی باشد. در تحلیل مودالِ ریلی-ریتز، بکارگیری چند جمله ای های متعامد مشخصه مرزی دو بعدی نسبت به یک بعدی، سبب می شود که بتوان فرکانس های طبیعی و شکل مودهای بیشتری از دیسک را بدست آورد. روش های الگوریتم ژنتیک و انبوه ذرات، بطور قابل قبول، قادر به بهینه سازی دیسک دوار به منظور کاهش وزن آن هستند.

امروزه یکی از بیماری های شایع در بین جوامع بشری، انسداد شریان کورونری قلب در سنین بالا می باشد. منظور از انسداد شریان، رسوب کردن ذرات زاید معلق در خون همچون چربی و کلسیم بر روی دیواره عروق است. این امر موجب اخلال در جریان طبیعی خون رسانی به اندام های بدن می گردد و در مواردی همچون شریان کورونری قلب که وظیفه آن خون رسانی به ماهیچه های قلب می باشد، این امر می تواند به مسئله ای خطرناک تبدیل گردد که در نهایت به حمله قلبی منجر می شود. یکی از روش های نوین برای درمان این عارضه، استفاده از وسیله ای به نام استنت می باشد. استنت طی یک عمل جراحی غیر باز توسط پزشک معالج به منظور باز نگه داشتن مسیر طبیعی جریان خون در محل مورد نظر قرار داده می شود. از جمله عوامل موثر در موفقیت استفاده از استنت، مسئله شناخت مشخصات مکانیکی آن در حین عمل استنت گذاری است. یک روش موثر و کارآمد در بدست آوردن رفتار مکانیکی استنت شریانی طراحی شده، روش تحلیل اجزای محدود می باشد. هدف از این تحقیق ارائه یک مدل شبیه سازی شده از رفتار مکانیکی یک نوع استنت شریانی توسط روش تحلیل اجزای محدود می باشد. این تحلیل به کمک نرم افزار اجزای محدود abaqus 6.6 انجام پذیرفته است. در این تحلیل، از یک مدل غیر خطی که شامل سه بخش بالون، استنت و رگ همراه با پلاک مسدود کننده می باشد استفاده گردیده است. به منظور انبساط استنت، فشار یکنواختی بر سطح داخلی بالون اعمال می گردد که باعث انبساط بالون و برقراری تماس بین بالون و استنت می شود. این عمل موجب انبساط استنت گردیده و در نهایت منجر به برقراری تماس بین استنت و سطح داخلی رگ مسدود شده می گردد. به منظور مدل کردن بالون، رگ و پلاک مسدود کننده از مدل غیر خطی هایپرالاستیک و به منظور مدل کردن استنت از مدل کشسان-مومسان دو خطی استفاده شده است. پس از مدل سازی صورت گرفته و اجرای آن توسط نرم افزار مربوطه، به استخراج و تحلیل نتایج بدست آمده همچون چگونگی توزیع تنش بر روی استنت و رگ، قطر بدست آمده، کاهش طول استنت و عمل خمش ایجاد شده در دو انتهای استنت پرداخته می شود. در نهایت، پس از بررسی اعتبار نتایج بدست آمده از این مدل، به مقایسه و نشان دادن مزیت های این مدل در پیش بینی رفتار مکانیکی استنت در حین عمل جاگذاری آن نسبت به مدل های ساده تر که صرفاً شامل بالون و استنت بوده است، پرداخته می شود. ارائه این مدل منجر به اصلاح شکل ظاهری استنت پس از انبساط، اصلاح توزیع تنش و نقاط بحرانی، ارائه چگونگی توزیع تنش بر روی رگ، اصلاح و کاهش میزان تنش حداکثر ایجاد شده و اصلاح نمودار های تغییرات قطر استنت، درصد کاهش طول و خمش ایجاد شده بر روی استنت گردیده است.