پایان نامه ارشد: مطالعه ی تاثیرتشعشع حرارتی بر روی رفتار مکانیکی میکروتیرهای FGM

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته :مهندسی مکانیک

گرایش :طراحی کاربردی

عنوان : مطالعه ی تاثیرتشعشع حرارتی بر روی رفتار مکانیکی میکروتیرهای  FGM

دانشگاه ارومیه

دانشکده ی فنی

گروه مهندسی مکانیک

پایان نامه ی دوره کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک گرایش طراحی کاربردی

موضوع :

مطالعه ی تاثیرتشعشع حرارتی بر روی رفتار مکانیکی میکروتیرهای  FGM

 

اساتید راهنما :    

دکتر قادر رضازاده    –     دکتر رسول شعبانی

شهریور 91

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

سیستم های میکروالکترومکانیکی عموما بر اساس نوع مکانیزم تحریکشان طبقه بندی می شوند. علاوه بر تحریک الکترواستاتیک که به عنوان یکی از مهمترین مکانیزمهای تحریک به شمار می رود، تحریک حرارتی به طور گسترده در سیستم های میکروالکترومکانیکی چند لایه و متغیر تابعی بکار
می رود. در دو دهه اخیر تحول بزرگی در تولید طیف وسیعی از تجهیزات الکترونیکی و مکانیکی به وجود آمده است. کاربرد گسترده این سیستم ها خصوصاً در حسگرها و عملگرها سبب شده است که مطالعات بسیاری از محققان به بررسی رفتار استاتیکی و دینامیکی آنها معطوف گردد.

هدف اصلی در این پایان نامه، مطالعه ی رفتار مکانیکی یک میکروتیر ساخته شده از مواد متغیر تابعی در معرض نیروی غیرخطی الکترواستاتیک و تغییرات دمایی مربوط به تشعشع و جابجایی حرارتی بر اساس تئوری تنش کوپل اصلاح شده می باشد. فرض شده است که تیر متغیر تابعی از فلز و سرامیک تشکیل شده است و خصوصیات ماده در آن تحت تابع نمایی در جهت ضخامت تغییر می کند. با تغییر درصد سرامیک سطح زیرین، پنج نوع مختلف میکروتیر مورد بررسی قرار گرفته شده و ولتاژ های ناپایداری کششی استاتیکی و دینامیکی آنها که در معرض حرارت نیز هستند بدست آورده شده است. همچنین دماهای های ناپایداری کششی در حضور نیروهای الکترواستاتیک برای پنج نوع مختلف میکروتیر معین شده است. به خاطر ابعاد تیر که در حد میکرو می باشد، اولا فرض شده است که دما در تیر به صورت یکنواخت تغییر میکند و از هر نوع گرادیان دمایی صرف نظر شده است. ثانیاً نشان داده شده است که در نظر نگرفتن مولفه ی تئوری تنش کوپل نتایج ناصحیحی به دنبال خواهد داشت.

 

 

 

 

کلید واژه ها: MEMS، میکرو تیرFGM ، تحریک الکترواستاتیکی، ممان حرارتی، ولتاژ Pull-in،
تئوری تنش کوپل اصلاح شده.

 

فهرست
عنوانصفحه
فهرست شکلها  ………………………………………………………………………………………………………………………….ث
فهرست جداول  …………………………………………………………………………………………………………………………ج
مقدمه  ………………………………………………………………………………………………………………………………………1
فصل اول: مفاهیم و کلیات  …………………………………………………………………………………………………………6
1-1 سیستمهای میکروالکترومکانیکی  ………………………………………………………………………………6
1-1-1 مقدمه  ……………………………………………………………………………………………………………….6
1-1-2 طبقه بندی سیستم های میکروالکترومکانیکی  ……………………………………………….9
1-1-3 انواع عملگرهای میکروالکترومکانیکی  ………………………………………………………………10
1-1-3-1 تحریک مغناطیسی  ………………………………………………………………………………..10
1-1-3-2 تحریک توسط مواد پیزوالکتریک  …………………………………………………………..11
1-1-3-3 تحریک دمایی  ………………………………………………………………………………………..11
1-1-3-4 تحریک توسط آلیاژهای حافظه دار  ……………………………………………………….11
1-1-3-5 تحریک الکترواستاتیک  ………………………………………………………………………….11
1-1-4 میکرو عملگرهای الکترواستاتیک  …………………………………………………………………….12
1-1-5 پدیده های معمول در سیستم های میکروالکترومکانیکی  ………………………………13
1-1-5-1 میرایی لایه فشرده سیال  ……………………………………………………………………….13
1-1-5-2 میرایی ترموالاستیک  ……………………………………………………………………………..13
1-1-5-3 ناپایداری کششی  ……………………………………………………………………………………14
1-2 مواد متغییر تابعی  ………………………………………………………………………………………………………15
1-2-1 مقدمه  ……………………………………………………………………………………………………………….15
1-2-2 تاریخچه مواد متغییر تابعی  ……………………………………………………………………………..16
1-2-3 کاربرد مواد متغییر تابعی  …………………………………………………………………………………17
1-2-4 مدل سازی مواد متغییر تابعی  …………………………………………………………………………18
1-2-4-1 مدل ردی  ……………………………………………………………………………………………….19
1-2-4-2 مدل نمایی  ……………………………………………………………………………………………..19
1-2-4-3 مدل توانی  ………………………………………………………………………………………………19
1-3 تئوری تنش کوپل یا گرادیان کرنش الاستیسیته  ……………………………………………………..20
1-3-1 مقدمه  ……………………………………………………………………………………………………………….20
1-3-2 تاریخچه ی تئوری تنش کوپل  ………………………………………………………………………..20
فصل دوم: مروری بر کارهای انجام شده  …………………………………………………………………………………22
2-1 مطالعه ی اثر تغییرات دمائی در سیستمهای میکروالکترومکانیکی  ………………………….22
2-2 مطالعه ی اثر نیروهای الکترواستاتیکی در سیستمهای میکروالکترومکانیکی  …………..23
2-3 مطالعه ی تئوری تنش کوپل در سیستمهای میکروالکترومکانیکی  ………………………….25
2-4 مطالعه ی رفتار تیرها و ساختارهای FGM  ……………………………………………………………….27
2-5 هدف و ضرورت انجام تحقیق  …………………………………………………………………………………….29
فصل سوم: ارائه ی مدل مورد مطالعه و استخراج معادلات حاکم  ……………………………………………..31
3-1 معرفی سیستم مورد مطالعه  ………………………………………………………………………………………31
3-2 مدلسازی ریاضی و ریاضی و استخراج معادلات برای دستیابی به خیز تیر  ………………33
3-2-1 معادله ی هدایت گرما  ……………………………………………………………………………………..33
3-2-2 فرمولاسیون معادلات میکروتیر FGM بر پایه ی MCST  ………………………………34
فصل چهارم: روشهای حل معادلات تحت بارگذاریهای مختلف  …………………………………………………41
4-1 معادله ی استاتیکی  ……………………………………………………………………………………………………41
4-1-1 اثر ولتاژ  …………………………………………………………………………………………………………….41
4-1-2 اثر تغییر دما  …………………………………………………………………………………………………….42
4-1-3 اثر همزمان تغییر دما و اعمال تدریجی نیروی الکترواستاتیکی  ……………………..43
4-2 معادله ی دینامیکی  ……………………………………………………………………………………………………43
فصل پنجم: نتایج عددی  …………………………………………………………………………………………………………….46
5-1 مقدمه  …………………………………………………………………………………………………………………………46
5-2 اثر اعمال تدریجی نیروی الکترواستاتیکی (در غیاب تغییرات دما)  …………………………..49
5-3 اثر اعمال تدریجی دما (در غیاب  نیروی الکتروستاتیکی)  ………………………………………..50
5-4 اثر همزمان تغییرات دمائی و اعمال تدریجی نیروی الکترواستاتیکی  ……………………….52
5-5 اثر اعمال ولتاژ DC پله روی میکروتیر FGM  …………………………………………………………..57
5-6 اثر اعمال ولتاژ DC پله روی میکروتیر FGM  خمیده ناشی از تغییرات دمایی  ………59
فصل ششم: جمع بندی  ………………………………………………………………………………………………………………61
6-1 نتیجه گیری  ……………………………………………………………………………………………………………….61
6-1 پیشنهادات برای کارهای آینده  ………………………………………………………………………………….62
مراجع  ……………………………………………………………………………………………………………………………………….63
Abstract  ……………………………………………………………………………………………………………………………….68

 

فهرست شکلها
عنوانصفحه
شکل(3-1) : شماتیکی از میکروتیر یکسرگیردار  FGM تحت تاثیر تشعشع حرارتی و ولتاژ، (الف) نمای جانبی، (ب) نمای سه بعدی31
شکل(5-1) : مدول یانگ (الف)، ضریب انبساط حرارتی (ب)، مدول برشی (ج) و طول مشخصه (د) در امتداد ضخامت برای پنج نوع میکروتیرهای FGM48-49
شکل(5-2) : فاصله ی بی بعد گپ سر آزاد نسب به افزایش ولتاژ برای پنج نوع مختلف میکروتیر FGM، بر مبنای (الف) CT، (ب) MCST50
شکل(5-3) : فاصله ی گپ سر آزاد نسب به افزایش دما برای پنج نوع مختلف میکروتیر FGM، بر مبنای (الف) CT، (ب) MCST51
شکل(5-4) : فاصله ی بی بعد گپ سر آزاد برای پنج نوع مختلف میکروتیر FGM نسبت به ولتاژ با تغییر دمای اولیه به میزان °C 1 ، برای (الف) CT، (ب) MCST53
شکل(5-5) : فاصله ی بی بعد گپ سر آزاد برای دو نوع مختلف میکروتیر FGM نسبت به ولتاژ با اعمال دماهای اولیه مختلف، بر اساس MCST. (الف) نوع 5 ، (ب) نوع 454
شکل(5-6) : فاصله بی بعد گپ سر آزاد برای پنج نوع مختلف میکروتیر FGM نسبت به دما، (الف) CT، (ب) MCST. (ولتاژ اولیه 5 ولت است.)55
شکل(5-7) : فاصله بی بعد گپ سر آزاد برای دو نوع مختلف میکروتیر FGM نسبت به دما زمانیکه ولتاژهای اولیه مختلف اعمال شوند، (الف) نوع 5، (ب) نوع 4.56
شکل(5-8) : پاسخ زمانی(الف) و پاسخ در صفحه ی فازی(ب)، در سر آزاد نوع 5 میکروتیر FGM در معرض ولتاژ پله. ( )58
شکل(5-9) : پاسخ زمانی در سر آزاد برای پنج نوع مختلف میکروتیرهای FGM زمانیکه ولتاژ DC پله اعمال شود (  و بر مبنایMCST).59
شکل(5-10) : پاسخ زمانی(الف) و پاسخ در صفحه ی فازی(ب) در سر آزاد برای نوع 5  میکروتیر FGM زمانیکه ولتاژ DC پله اعمال شود.60
  
فهرست جدولها
عنوانصفحه
جدول(5-1) : خواص فیزیکی و هندسی میکروتیر FGM مورد مطالعه، همچنین خصوصیات هوای اطراف.47
جدول(5-2) : مشخصات پنج نوع مختلف میکروتیرهای FGM.48
جدول(5-3) : رابطه ی بین دمای منبع حرارتی و دمای میکروتیر مربوط به شکل (5-3).52
جدول (5-4) : رابطه ی بین دمای منبع حرارتی و دمای میکروتیر مربوط به شکل (5-5).54
جدول (5-5) : رابطه ی بین دمای منبع حرارتی و دمای میکروتیر مربوط به شکل (5-6).56
جدول (5-6) : رابطه ی بین دمای منبع حرارتی و دمای میکروتیر مربوط به شکل (5-7).57
جدول (5-7) : ولتاژ های pull-in دینامیکی برای پنج نوع میکروتیر FGM خمیده ناشی از تغییرات دمائی.60

 

مقدمه

در سالهای اخیر، با پیشرفت صنعت و امکان ساخت تجهیزات در مقیاس میکرو، استفاده از سیستمهایی در ابعاد میکرو که تحت عنوان سیستمهای میکرو الکترو مکانیکی[1] شناخته می شوند، از اهمیت فراوانی برخوردار شده اند. سیستمهای میکرو الکترو مکانیکی قابلیت انجام عملیاتهای پیچیده در ابعاد میکرو و با دقت فراوان را دارند. کاربرد گسترده ی این سیستمها در صنایع لزوم هر چه بیشتر مطالعات تئوری و عملی را در این زمینه روشنتر می سازد.

در دهه های اخیر تلاشهای گسترده ای توسط محققان برای تحلیل و طراحی مواد نو صورت گرفته است. با توجه به پیشرفتهای صنعتی گسترده امکان به کارگیری این مواد در صنایع پیشرفته به وجود آمده است. لذا ایجاد مدلهایی برای پیش بینی دقیق تر رفتار این مواد از اهمیت بسزایی برخوردار شده است. یکی از این دسته مواد نو، مواد مدرج تابعی[2] میباشد. تحقیقات بر روی این مواد در دو دهه ی اخیر گسترش زیادی یافته است. مواد FG دارای خواص فیزیکی یا مکانیکی متغییر به صورت تابعی پیوسته از مکان میباشند و می توانند ویژگیهای دلخواه و در برخی موارد متناقضی را که نمی توان در یک ماده ی همگن یافت از خود نشان دهد. از جمله ویژگیهای این مواد عدم وجود مرزهای داخلی مشخص در ماده است که مانع از تمرکز تنش و آغاز واماندگی ناشی از تنشهای فصل مشترک می شود. به دلیل چنین ویژگیهای منحصر بفردی ایده های تازه در مورد این مواد و کاربردهای جدید آنها در دست تحقیق است که از جمله این کاربردها میتوان به طراحی و ساخت میکرو تیر FG اشاره کرد. بعلاوه از آنجایی که بسیاری از میکرو تیرها در سنسورها برای اندازه گیری دما بکار می روند، تحلیل ترمو مکانیکی این مواد و تاثیر خصوصیات آنها بر روی رفتار استاتیکی و دینامیکی میکروتیرها
می بایست مورد بررسی بیشتر قرار گیرد.

اخیراً برای مطالعه ی خمش در تیرهای اویلر- برنولی[3] مدل جدید تئوری اصلاح شده ی تنش کوپل[4] توسعه داده شده است. این مدل شامل یک پارامتر طول مشخصه ماده[5] به عنوان یکی از خصوصیات ماده (علاوه بر ضرایب لامه) می باشد که اثر اندازه ی ماده را در معادلات ساختاری در نظر می گیرد. در این تئوری انرژی پتانسل ماده علاوه بر کرنش، تابعی از خمیدگی[6] هم میباشد، که منجر به وارد شدن ترم جدید در معادله ی ساختاری می شود. این تئوری (تئوری اصلاح شده ی تنش کوپل) در سال 2002 توسط یانگ[7] [1] پیشنهاد شده است، بر این اساس استوار است که تانسور تنش کوپل متقارن بوده و تنها یک طول مشخصه ماده در معادلات مد نظر می باشد.

چند مشخصه اساسی برای بررسی میکروتیرها وجود دارد که در این میان پدیده pull-in مهمتر از سایر مشخصه ها است. در شرایط استاتیکی نیرو و گشتاور مکانیکی و الکترواستاتیکی برابر با هم هستند و میکرو محرک در شرایط پایدار به سر می برد. رفته رفته با افزایش ولتاژ نیروی الکترواستاتیکی افزایش می یابد و در هر موقعیت استاتیکی تعادل جدیدی با نیرو و گشتاور مکانیکی برقرار می سازد، اما این افزایش نیروی الکترواستاتیکی ادامه می یابد تا جایی که دیگر تحملی برای عضو مکانیکی در مقابله با نیروی الکترواستاتیکی وارده باقی نمی ماند و تعادل استاتیکی بر هم خورده و وارد شرایط دینامیکی ناپایدار غیر خطی میشود که محاسبه موقعیت میکرو تیر در این حالت امکان پذیر نیست و ناگهان میکرو تیر با سطح ثابت پایینی برخورد می کند. ولتاژی که به ازای آن، میکرو تیر در شرایطی قرار می گیرد که با افزایش بسیار کم ولتاژ، نیروی الکترواستاتیکی بیش از نیروی مکانیکی می شود و تعادل استاتیکی بر هم می خورد را به اصلاح ولتاژ Pull-in نامگذاری کرده اند. گفتنی است برای حل معادلات غیر خطی بدست آمده، از روش خطی سازی گام به گام[8] استفاده شده است که روشی سریع و قابل اعتماد در بررسی روابط میان جابجایی عرضی و ولتاژ در میکرو تیر می باشد.

تیرهای یک سر گیردار پرکاربردترین سازه ها در MEMS محسوب می شوند که معمولا از Si، SiN و یا پلیمرها ساخته می شوند. یک تیر یک سر گیردار تیری است با یک انتهای ثابت و محکم و انتهای دیگر آزاد و معلق که حامل بار در نقطه پایه ای و مستحکم است. امروزه میکروتیر[9] یکی از اجزاء تفکیک ناپذیر در MEMS بوده که بطور گسترده در سنسورها، سوئیچها و… مورد استفاده قرار میگیرد.

در پاره ای موارد بارهای تحمیل شده بر سیستم باعث ایجاد خیز خطی در تیر می شوند. تغییرات دمائی یکی از اساسی ترین انواع محرکهاست که می تواند سیستم را به طور مستقیم دچار تغییر کند. محرک گرمائی به علت توانائیش در تولید جابجائیهای خطی بزرگ شناخته شده است. این مکانیزم معمولا با استفاده از دو لایه بودن (یا چند لایه بودن) و یا FGM بودن تیرها با ضرایب انبساط حرارتی مختلف قابل دستیابی است. میکروتیرهای FGM در صنعت MEMS از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده و از اجزاء کلیدی به شمار می روند. اینگونه تیرها برای استفاده در کاربردهای گرمائی مثلا به عنوان محرک در ترموستاتها شناخته شده هستند.

1 Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS)

[2] Functionally Graded Material (FGM)

[3] Euler-Bernoulli

[4] Modified Couple Stress Theory (MCST)

[5] Material length scale parameter

[6] Bending

[7] Yang

[8] step-by-step linearization

[9] Micro-beam

تعداد صفحه : 95

قیمت : 14000تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09361998026        info@arshadha.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

شماره کارت :  6037997263131360 بانک ملی به نام محمد علی رودسرابی

11

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید