20423

۲۰۴۲۳

كاهش ارتعاشات غيرخطي يك ميكروتير AFM با لايه پيزوالكتريك با اعمال نيروي كشش متغيرمحوري

دكتراي تخصصي

طراحي كاربردي - ديناميك ارتعاشات و كنترل

۱۳۹۷

۱۳۹۷/۱۲/۱۴

دكتر محرم حبيب نژاد كورايم

دكتر يونسيان

مكانيك

در اين رساله كاهش ارتعاشات غيرخطي يك ميكروتير AFM با لايه پيزوالكتريك به‌وسيله نيروي كشش متغير انجام گرفته است. ميكروتير AFM، يك تيريكسر گيردار و يك سر آزاد بوده، كه يك‌لايه پيزوالكتريك بر روي سطح بالائي آن به‌ عنوان سنسور جهت اندازه‌گيري خيز ميكروتير، قرارگرفته است. پايه ميكروتير تحت تحريك ‌هارمونيك است. به داخل حفره ايجاد شده در ميكروتير، كه درميان آن سيال وجود دارد، نيروي متغير با زمان، توسط يك ميكروپمپ تأمين مي‌شود. اين ميكروپمپ كه عامل كاهش ارتعاش ميكروتير مي‌باشد، همان عملگراست. ميكرو تير موردنظر، تير اويلر – برنولي بوده و از مدل ويسكوالاستيك كلوين – ويت تبعيت مي‌كند، كه براي مواد ويسكوالاستيك جامد كاربرد دارد. استفاده از اين مدل امكان مقايسه حالت ويسكوالاستيك و الاستيك را بسيار خوب نمايان ساخته و اثرات ميرايي كه يكي از مهم‌ترين خواص مواد ويسكوالاستيك مي‌باشند، به‌راحتي مورد بررسي قرار مي‌گيرند. در اين تئوري از اثرات نيروهاي برشي صرف‌نظر گرديده است. معادله حركت غيرخطي و شرايط مرزي متناظر، با استفاده از روش انرژي يا روش هميلتون به دست آمده است. در اين تحقيق ابتدا، روش عددي رانج كوتا براي مقايسه حالات الاستيك و با استهلاك ويسكوز به كار رفته و سپس تكنيك اغتشاش مقياس‌هاي چندگانه به‌عنوان روش حل تحليلي استفاده ‌شده است. معادلات مدولاسيون تشديد اوليه و ثانويه (زير-هارمونيك) براي بعد غالب سيستم (بعد عرضي) استخراج‌ شده‌اند. تأثير پارامترهاي مختلف مانند ضريب دمپينگ و نيروي كشش بر دامنه پاسخ تشديد هارمونيك بررسي شده‌اند. در ادامه به طراحي ميكروپمپ به كار رفته در كاهش ارتعاشات پرداخته شده است. يك استراتژي جديد براي تأمين نيروي كششي محوري جهت كاهش ارتعاشات عرضي ميكروتير معرفي شده است. اين نيروي كششي محوري توسط جريان خاصي از سيال به نام مگنتو‌هيدروديناميك(MHD) كه در يك ميكروپمپ‌ جاري است، تأمين مي‌شود و سپس سيال به ميكروتير نيرو وارد خواهد كرد. ميكروتير موجود در مسئله، به واسطه يك نيروي خارجي نوساني‌اي كه به پايه آن وارد مي‌شود، به ارتعاش در مي‌آيد، بنابراين يك مسئله تعامل سازه و سيال مطرح مي‌گردد. فشار سيال به واسطه نيروي لورنتز ايجاد شده در ميكروپمپ، افزايش يافته و توسط كانالي به سمت ميكروتير هدايت مي‌شود و موجب كاهش ارتعاشات ميكروتير مي‌گردد. در تحقيق حاضر تأثير نيروي توليد شده توسط ميكروپمپ بر دامنه تشديد اوليه و ثانويه و چگونگي اثر آن در كاهش ناحيه ناپايدار ونحوه سوق دادن سيستم غيرخطي به سمت سيستم خطي مورد بررسي قرار گرفته است. همچنين، تأثير ميدان هاي مغناطيسي و الكتريكي و اثر نيروي تحريك وارد بر پايه ميكروتير و عدد رينولدز بر روي پارامترهاي جريان مانند فشار، جابجايي و تنش ميكروتير، مورد مطالعه قرار گرفته است.

1398/02/15

Nonlinear vibration suppression of AFM microbeams covered by a piezoelectric layer with varying tensile force

3/4/2020 12:00:00 AM

In this thesis, nonlinear vibration suppression of a micro-beam covered by a piezoelectric layer is accomplished by a varying tensile force. The AFM micro-beam is a cantilever one, and a piezoelectric layer is located on its top surface in order to measure beam deflections. Base of the beam is subjected to a harmonic excitation. A micro-pump provides an axial time-varying tensile load into the micro-beam. The micro-pump which causes vibration suppression is the actuator. The micro-beam is an Euler-Bernoulli beam which abbeys Kelvin-Voigt model. Using such model supplies the comparison between elastic and viscoelastic beams; and one of the most important properties of viscoelastic materials, damping effect can readily be investigated. In this theory, shear stresses are neglected. The nonlinear equation and corresponding boundary condition are obtained based on energy or Hamiltonian method. Here, first the Runge-Kutta method is used to compare elastic case with viscoelastic case and then the perturbation technique of Multiple Scales is employed as analytical method. The modulation equations of primary and secondary (sub-harmonic) harmonic resonances are derived for the dominant (vertical) frequency dimension, and the effects of different parameters on the amplitude of harmonic resonances are investigated. In the following, design of micro-pump, with the purpose of vibration suppression, is considered. A new strategy for providing tensile force to suppress the transverse vibration of a micro-beam is introduced. This axial tensile force is supplied by a specific fluid flow called "magnetohydrodynamics" (MHD), which flows in a micro-pump, and then the fluid enters the micro-beam. The micro-beam is vibrated by an oscillating external force acting at its base. Therefore, a fluid structure interaction problem arises. The pressure of the fluid is increased due to the Lorentz force appears in the micro pump, and is directed by the channel towards the micro-beam and suppress the vibration of the micro-beam. In this thesis, the effects of provided tensile force by the micro-pump on the amplitude of primary and second resonances are investigated; also, its effects on reducing unstable region and how the nonlinear system can be pushed towards the linear system are investigated. Additionally, the effect of magnetic as well as electric fields, the effect of applied force to the base of micro-beam, and the effects of Reynolds Number on flow parameters such as pressure, displacement and stress of micro-beam are studied.