شماره ركورد
34241
پديد آورنده
محمد غلامي
عنوان
مدلسازي اجزاي محدود تركيبي سه بعدي سازه هاي در ابعاد نانو با تئوري گراديان كرنش اصلاح شده و اثر فلكسوالكتريسيته
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
سال تحصيل
1396
تاريخ دفاع
1404/06/26
استاد راهنما
منصور عليزاده
استاد مشاور
/
دانشكده
مهندسي مكانيك
چكيده
در اين مطالعه، رفتار غيرخطي هندسي سازههاي به شكل تير و به عنوان عملگرهاي سهبعدي با مود خمشي كه به دليل سهولت ساخت و انعطاف در طراحي نسبت به ساير كاربردها رايجتر ميباشند، تحت بارهاي الكترومكانيكي مورد بررسي قرار گرفته است. ترمهاي غيرخطي فون-كارمن براي در نظر گرفتن تغيير شكلهاي غيرخطي هندسي در رابطه جابجايي- كرنش لحاظ شده است. نسخههاي مختلفي از تئوريهاي درجه بالا با در نظر گرفتن گراديان كرنش و چرخش و ترمهاي مربوط به اثرات پيزوالكتريسيته و فلكسوالكتريسيته مورد استفاده قرارگرفته است.
در سازههاي تحت بررسي، تقريب خواص مادي در راستاي ضخامت و برحسب كسر حجمي با استفاده از روشهاي قانون كلاسيك تواني و موري-تاناكا انجام شده است. معادلات حاكم و شرايط مرزي مربوطه با استفاده از اصل حساب تغييرات بهدست آمده است. معادلات حاكمه، با استفاده از روش تكراري نيوتن - رافسون خطي¬سازي شده است. جهت تحليل از المان تركيبي چهاروجهي C0 كه پيوستگي كمتري در ميدان جابجايي نسبت به المان مرسوم C1 دارد، به همراه محيط كد نويسي پايتون در پلتفرم المان محدود منبع باز فنيكس بهرهبرداري شده است. در مسائل مختلف مطرح شده در سرتاسر اين پژوهش، اثرات پارامترهاي فونداسيون الاستيك وينكلر-پسترناك براي نسبتهاي مختلف طول به ضخامت، تأثير نسبتهاي ابعادي مختلف، نسبت ضريب پواسن، شاخصهاي قانون تواني، پارامترهاي مقياس طول، ضرايب فلكسوالكتريسيته، الگوهاي مختلف توزيع تخلخل در راستاي ضخامت و موقعيت و اندازه بارگذاري متفاوت مورد مطالعه قرارگرفته است.
خروجي مطالعه حاضر براي پيزوالكتريك¬هاي متخلخل نشان داد كه در نظر گرفتن حفرهها و تخلخلهاي موجود در فرمولاسيون مسئله، بهطور قابلتوجهي بر تغيير شكل عملگر متخلخل تأثير ميگذارد و توزيع تخلخل يكنواخت بيشترين تأثير و توزيع تخلخل مركزي كمترين تأثير را ميپذيرد. بهعلاوه، تغييرات در شاخص كسر حجمي در محدوده 0 تا 1 بيشترين نرخ تغيير در جابجايي نوك عملگر را دارد.
خروجي نتايج براي تحليل تيرهاي فلكسوالكتريك ايزوتروپ يكسر گيردار تحت بارهاي الكتريكي و مكانيكي
نشان داد كه با افزايش نسبت ضخامت به مقياس طول بيشتر از 10، شيب تغييرات براي جابجايي عرضي و پتانسيل الكتريكي به شدت كاهش يافته و نتايج به تئوري كلاسيك نزديك ميشود. در حالت بارگذاري الكتريكي، براي پتانسيل الكتريكي بدون بعد بيشتر از 5/0 ، خطاي چشمگيري بين نتايج مشاهده گرديد. در نسبتهاي خيز به طول بيشتر از 2/0، اختلاف معناداري بين حلهاي خطي و غيرخطي در ميدانهاي جابجايي و پتانسيل الكتريكي مشاهده گرديد كه بيانگر عدم اعتبار نتايج فرمولاسيون خطي در اين محدوده مي¬باشد. در بررسي حساسيت پارامترهاي مقياس طول بر جابجايي تير فلكسوالكتريك مشخص شد كه براي مسئله حاضر، تأثير پارامتر مربوط به گراديان كشش انحرافي در مقابل پارامترهاي گراديانهاي دوران و اتساع ناچيز است و مي¬توان با دقت مناسبي آن را ناديده گرفت. در تحليل حساسيت اين پارامتر-ها بر ميدان الكتريكي، مشخصشد كه الگوي رفتاري پارامتر ناشي از گراديان كشش با پارامترهاي اتساع و گراديان چرخش متفاوت بوده و تأثير آنها در نتايج حاصله برعكس يكديگر ميباشد. از مقايسه نتايج بدست آمده براي المان¬هاي دوبعدي و سه¬بعدي، مشخص شد كه در حالت بارگذاري در مركز تير، المان دوبعدي هفت گره¬اي نتايج قابل قبولي در مقايسه با حل سه¬بعدي خصوصاً براي ميدان¬هاي كرنش و تنش ارائه مي¬كند.
يافتههاي اين مطالعه ميتواند در طراحي و ساخت عملگرها و سنسورهاي متخلخل پيزوالكتريك مدرج تابعي و همچنين عملگرهاي فلكسوالكتريك در ابعاد ميكرو و نانو مورد استفاده قرار گيرد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/10/03
عنوان به انگليسي
Three-Dimensional Mixed Finite Element Modeling of Nano-scale Structures Using Modified Strain Gradient Theory with Flexoelectric Effects
تاريخ بهره برداري
9/17/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
محمد غلامي
چكيده به لاتين
This study investigates the geometrically nonlinear behavior of beam-like structures functioning as three-dimensional bending-mode actuators, which are more common than other configurations due to their ease of fabrication and design flexibility, under electromechanical loads.The Von-Kármán nonlinear terms are incorporated into the displacement-strain relations to account for large geometric deformations. Various higher-order theories are employed, incorporating strain and rotation gradients along with associated piezoelectric and flexoelectric effects.
The approximation of material properties across the thickness is estimated using the Classical Power Law and Mori-Tanaka methods. The governing equations and corresponding boundary conditions are derived using the variational principle. The governing equations are linearized using the Newton-Raphson iterative method. A C0-continuous tetrahedral mixed element, which requires lower displacement field continuity than conventional C1 elements, is implemented using the Python scripting environment in the open-source FEniCS platform.
Throughout this research, the effects of different parameters, such as Winkler-Pasternak elastic foundation, different length-to-thickness ratios, different dimensions, Poissonʹs ratio,power-law indices, length scale parameters, flexoelectric coefficients, various porosity distribution patterns across the thickness, and different load locations and magnitudes, are investigated.
The outputs for porous piezoelectrics revealed that incorporating voids and porosities into the problem formulation significantly impacts the deformation of the porous actuator. A uniform porosity distribution has the greatest effect, whereas a centrally concentrated distribution has the least. Furthermore, variations in the volume fraction index within the range of 0–1 cause the highest rate of change in the actuator tip displacement.
Results for the analysis of isotropic cantilever flexoelectric beams under electrical and mechanical loads showed that as the thickness-to-length-scale ratio increases beyond 10, the gradient of change for transverse displacement and electric potential sharply decreases, and the results converge toward classical theory. Under electrical loading, for non-dimensional electric potentials greater than 0.5, a significant error was observed between the results. For deflection-to-length ratios exceeding 0.2, a notable discrepancy emerged between linear and nonlinear solutions for both displacement and electric potential fields, indicating the invalidity of the linear formulation in this range.
Investigating the sensitivity of length scale parameters on the displacement of the flexoelectric beam revealed that, for the present problem, the influence of the parameter related to the deviatoric stretch gradient is negligible compared to the dilatation and rotation gradient parameters, and it can be ignored with reasonable accuracy. In the sensitivity analysis of these parameters on the electric field, it was found that the behavioral pattern of the parameter stemming from the stretch gradient differs from those of the dilatation and rotation gradients, and their effects on the results are opposite. Comparing results from 2D and 3D elements showed that for center-loaded beams, a 2D seven-node element provides acceptable results compared to the 3D solution, particularly for strain and stress fields.
The findings of this study can be used in the design and fabrication of porous, functionally graded piezoelectric actuators and sensors, as well as in the development of micro- and nano-scale flexoelectric actuators.
كليدواژه هاي فارسي
تئوري گراديان كرنش , روش اجزاي محدود تركيبي , پيزوالكتريسيته , فلكسوالكتريسيته , رفتار وابسته به سايز , جابجايي بزرگ , FEniCS
كليدواژه هاي لاتين
Strain gradient theory , Mixed finite element method , Piezoelectricity , Flexoelectricity , Size-dependent behavior , Large deformation , FEniCS
Author
Mohammad Gholami
SuperVisor
Mansour Alizadeh