پایان نامه تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر

word
82
3 MB
32575
1391
کارشناسی ارشد
قیمت: ۸,۲۰۰ تومان
دانلود فایل
  • خلاصه
  • فهرست و منابع
  • خلاصه پایان نامه تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر

    پایان نامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک

    گرایش طراحی کاربردی

    چکیده

    میکروتیر ها بعنوان المان اصلی در اکثر سنسورها و عملگرها مورد استفاده قرار می گیرند. در بعضی موارد نظیر میکرو سویچ ها این عضو ممکن است در محیط حاوی سیال نیز مورد استفاده قرار گیرد. لذا در این مقاله به تحلیل رفتار دینامیکی و آنالیز فرکانسی یک میکروتیر که در یک محفظه بسته حاوی سیال قرار دارد پرداخته ایم. . با فرض تیر اویلر برنولی و سیال تراکم ناپذیر و غیر ویسکوز, معادلات کوپل شده سیال- جامد با استفاده از روش فوریه بسل استخراج شده و سپس مسئله مقدار ویژه مربوطه مورد تحلیل قرار گرفته است که تاثیر سیال بعنوان جرم افزوده در معادلات ظاهر گردیده است. در ادامه وابستگی فرکانسهای طبیعی تیر به مشخصه های سیال و ابعاد هندسی محفظه مورد بررسی قرار گرفته  و نشان داده شده که تغییرات طول تیر و محل قرار گیری تیر در محفظه و همچنین استفاده از سیالهای مختلف با خواص گوناگون تاثیر قابل توجهی در تغییر فرکانسهای سیستم دارند. در  ادامه شکل مدهای تیر در دو حالت خیس و خشک مورد مقایسه قرار گرفته است و اثر مشخصه های سیال روی مودهای سیستم نشان داده شده است و همچنین الگوهای حرکت سیال در پی رفتار تیر مورد بررسی قرار گرفته است.در نتیجه می توان استنباط کرد که حضور سیال بشدت مدهای بالا را  تحت تاثیر قرار می دهد.علاوه بر بررسی ارتعاشات آزاد سیستم کوپل ، رفتار تیر را به ازاء تحریک الکترواستاتیک به فرم ولتاژ پله نیز بررسی قرار گرفته است و  اثرات مشخصه های سیال و هندسه سیستم بر روی پاسخ گذرا و زمان ناپایداری سیستم مورد تحلیل قرار گرفته است همچنین با اعمال ولتاژ پله مختلف،پاسخ دینامیکی و ناپایداری میکروتیر مورد مطالعه قرار می گیرد

     

    واژه های کلیدی:

     فرکانس های طبیعی، شکل مد، میکروتیر یکسرگیردار،ولتاژ الکترو استاتیکی،ناپایداری،تغییرات هندسی و مادی، سیال تراکم ناپذیر و غیرلزج،

     

    مفاهیم وکلیات

     

    میکروسیستم‌هایالکترومکانیکی[1] به­ عنوان یکی ازآینده‌دارترین تکنولوژی‌ها در قرن 21 شناخته شده است که قادر است با یکپارچه‌سازی میکروالکترونیک و تکنولوژی میکروماشین‌کاری، تحولی شگرف در صنعت و محصولات مصرفی همچون صنعت خودروسازی، پزشکی، الکترونیک، ارتباطات و ... داشته باشد.

     

    MEMSتکنولوژی ساخت قطعات و سیستمهای مجتمع متشکل از اجزای الکتریکی و مکانیکی می­باشد که از روشهای تولید گروهی استفاده می‌کند. کلمه MEMS که مخفف میکروسیستم‌های الکترومکانیکی است در آمریکا رایج می‌باشد، در حالیکه در اروپا تکنولوژی میکروسیستم و در ژاپن میکروماشین‌ها رایج می­باشد. فرآیندهای میکروماشین‌کاری حجمی و سطحی برای برداشتن و یاقراردادن لایه‌هایی از سیلیکون و یامواد دیگر به کار می­روند تا اجزای مکانیکی و الکترومکانیکی را تولید کنند.

    MEMS در حالت کلی به صورت زیر تعریف می‌شود:

    MEMSیک سیستم کامل در ابعاد میکرو (شامل حرکت، الکترومغناطیس، دستگاه‌ها و سازه‌های نوری میکرو و انرژی تابشی، مدارهای حس‌گر/محرک، مدارهای مجتمع (IC)[2] پردازشگر/کنترل ‌کننده) است که به صورت غیر انبوه تولید شده و:

    پارامترها و تحریکات فیزیکی را به سیگنال‌های الکتریکی، مکانیکی و نوری تبدیل می‌کند و برعکس.

    وظایف حس‌کردن، به کار انداختن و ... را بر عهده دارد.

    شامل بخش‌های کنترل (هوشمندی، تصمیم‌گیری، یادگیری تدریجی، تطبیق، سازماندهی خودمحور و ...)، تشخیص، پردازش سیگنال و جمع‌آوری اطلاعات می‌باشد.“

    اساساً، MEMS سیستمی است متشکل از سازه، حس‌گر، مدار الکترونیکی و کارانداز میکرو (شکل 1-2). سازه میکرو چهارچوب سیستم را تشکیل می‌دهد؛ حس‌گر میکرو سیگنال‌ها را جستجو می‌کند؛ مدار الکترونیکی میکرو، سیگنال‌های دریافتی را پردازش کرده و به کارانداز میکرو، فرمان پاسخ به سیگنال‌ها را می‌دهد.

    با استفاده از تکنولوژی ساخت مدارهای مجتمع و به منظور تولید دستگاه‌های مکانیکی و الکترومکانیکی، MEMS  معمولاً بر یک بستر سیلیکونی که قسمت‌هایی از آن به انتخاب و به روش اچ‌کردن جدا شده یا لایه‌های جدیدی به آن اضافه گشته، ساخته می‌شود.

    در حالت محاوره ای MEMS را میتوان همزمان یک جعبه ابزار، یک محصول فیزیکی و مجموعه ای از روشها دانست. همانطور که از نامش پیداست "Micro" معرف اندازه، "Electro" مربوط به الکتریسیته و یا الکترونیک و "Mechanical" قطعات در حال حرکت را شامل میشود.از دیدگاه فیزیک MEMS معمولا مجموعه ای از المانهای مکانیکی و الکترونیکی است که با استفاده از تکنولوژی ساخت میکرو روی یک ویفر سیلیکونی معمولی سوار می شوند.الکترونیکها میتوانند توسط پروسه IC (مانند:CMOS [3]) و المانهای مکانیکی با روشهای میکروماشینی که با پروسه ساخت  ICها سازگارند ساخته شوند. شکل (1-3) نمائی شماتیکی از تراشه MEMS را نشان می دهد.. حسگرها و محرکها می توانند از المانهای مکانیکی و فرآیندسازی سیگنالها و واحدهای کنترل میتوانند با استفاده از مدارهای الکترونیکی ساخته شوند

    بنابراین کل سیستم میتواند بر روی یک تراشه واحد بدون هیچ فرآیند اجتماعی خارجی جمع شود.جمع آوری کل سیستم روی یک تراشه واحد با فرایند کوچک سازی منجر به ایجاد سازه ای کم هزینه و پرکیفیت میشود. کاربردهای این تکنولوژی به قدری گسترده است که میتوان گفت تقریباً در تمامی زمینه های مختلف صنعتی، شامل سیستم های مکانیکی، الکتریکی،، نوری و شیمیایی ، یا به نوعی استفاده میشود و یا فاز تحقیقاتی و ساخت نمونه را طی مینماید. قرارگیری سنسور به همراه مدارهای واسطه بر روی یک مدار، مزیت کاهش نویز های مزاحم و افزایش سرعت مونتاژ و راه اندازی را در پی دارد. همسانی مشخصه محصولات مشابه به دلیل کاهش پارامتر های موثر باعث اطمینان پذیری بیشتر میگردد. آرایش دقیق المان ها، که از ملزومات سیستم برای کاهش خطا می باشد، در فضای میکرو ساده تر است.

    در اوایل دهه 1990با پیشرفت تکنولوژی ساخت IC ها، MEMS پا به عرصه ظهور نهاد که حسگرها، محرکها و توابع کنترلی در سیلیکون ساخته شدند. با حمایتهای مالی دولتی و صنعتی، محققین MEMS پیشرفتهای چشمگیری کرده و تواناییهای برتر و انقلابی خود را در بسیاری زمینه های گوناگون به اثبات رساندند. در تجارت و داد وستد نیز نمونه های بسیار زیادی از MEMS کاربرد دارند، همچون میکروشتاب سنجها[4]، میکرو حسگرها[5]، چاپگر جوهرپاش[6]، میکروآینه ها[7]و غیره.

    علاوه بر این وسایل ساده طرحهای پیچیده تری از MEMS پیشنهاد شده و به اثبات رسیده اند. به خاطر مفهوم و امکانات آنها در زمینه های گوناگون همچون بیو پزشکی، شیمی، سیالات، ذخیره اطلاعات، ارتباطات نوری بی سیم و غیره. با کوشش و صرف انرژی بیشتر شاخه های جدیدی ازتکنولوژی MEMS پا به عرصه گذاشته اند، از آن جمله [8]MOEMS و[9]µTAS بهدلیل پتانسیل کاربردشان در بازار حائز اهمیت می باشند

     

    [

     

    Abstract

    Micro-beams as the main components used in most of the sensors and actuators. In some cases, such as micro switches, these members may also be used in environments containing fluid.Therefore this paper analyzes the dynamic behavior and frequency analysis of a micro-beam in bounded fluid domain.With assumption oyler Bernoulli’s beam and considering incompressible and inviscid liquid, the fluid-solid’s coupled equations extracted from Fourier-Bessel series Then the corresponding eigenvalue problem has been analyzed the effect of fluid added mass has been appearing in the equations. in continue Dependence on natural frequencies of fluid properties and geometry of the beam and cavity have been investigated. And demonstrated that beam’s length and off-center‘s variation and also use of deference fluids has a visible changes on natural frequency. In continue micro beam mode shape compared at wet and dry condition and effect of fluid properties shown on the various modes. And fluid’s pattern movement investigated consequencely of beam’s behavior. The result can be inferred that the fluid will affect seriously the above modes. Further investigation of free vibrations of coupled systems, the behavior of beam actuated electrostatically has been investigated to form the step voltage And fluid properties and geometry effects on the system transient response and system stability is analyzed Also the voltage applied to the various steps, the dynamic response and instability are studied micro-beam.

  • فهرست و منابع پایان نامه تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر

    فهرست:

    فهرست شکل ها............................................................................................................................................................................. ج

    فهرست جداول............................................................................................................................................................................... خ

    فصل اول: مفاهیم وکلیات                                                                                            1

    1-1  تفاوت MEMS  با سیستمهای ماکرو......................................................................................................................... 5

    1-2کاربردهای MEMS............................................................................................................................................................. 7

    1-2-1کاربرد در صنعت خودرو................................................................................................................................................. 7

    1-2-2 کاربرد در پزشکی............................................................................................................................................................ 8

    1-2-3کاربرد در الکترونیک........................................................................................................................................................ 8

    1-3سیستم‌های جدید مرتبط با MEMS............................................................................................................................ 9

    1-3-1سیستم های میکروالکترومکانیکی زیستی................................................................................................................. 9

    1-3-2سیستم‌های میکرواپتوالکترومکانیکی ........................................................................................................................ 9

    1-3-3: سیستم‌های میکروالکترومکانیکی فرکانس بالا....................................................................................................... 9

    1-4  میکرومحرکها..................................................................................................................................................................... 12

    1-4-1 محرکهای الکترواستاتیکی.......................................................................................................................................... 13

    1-4-2  محرکهای گرمائی........................................................................................................................................................ 14

    1-4-3  پنوماتیک گرمائی........................................................................................................................................................ 14

    1-4-4 سایر محرکها.................................................................................................................................................................. 15

    1-5  تکنولوژی میکرو ماشینکاری......................................................................................................................................... 15

    1-6  تکنیکهای میکروماشینکاری........................................................................................................................................... 16

    1-6-1 میکروماشینکاری حجمی........................................................................................................................................... 17

    1-6-2 میکروماشینکاری سطحی........................................................................................................................................... 20

    1-6-3 روش چسباندن لایه ای.............................................................................................................................................. 22

    1-7  پایداری MEMS............................................................................................................................................................ 23

    1-8 مزایا و معایب MEMS................................................................................................................................................... 23

     

    فصل دوم: پیشینه تحقیق                                                                                            27

    2-1مروری بر کلیات تاریخچه(MEMS)................................................................................................................................. 27

    2-2 تحقیقات قبلی در رابطه با پدیده ناپایداری در ساختارهای MEMS..................................................................... 28

    2-3 تحقیقات قبلی در رابطه با آنالیز فرکانسهای طبیعی ساختارهای MEMS......................................................... 30

    2-5 تحقیقات قبلی در رابطه با بررسی اثر ولتاژ آنیدر ساختارهای MEMS............................................................... 30

    2-6 کارهای انجام شده مرتبط با پروژه................................................................................................................................ 31

    فصل سوم: توصیف مدل و استخراج معادلات حاکم برمسئله                                                34

    3-1معرفی مدل مورد مطالعه.......................................................................................................... 34

    3-2 مدلسازی ریاضی برای محرکهای میکروالکترومکانیکی الکترواستاتیکی............................................................. 35

    3-3 فرمولبندی برای ارتعاشات سیال................................................................................................................................... 38

    3-4ارتعاشات کوپل شده سیستم........................................................................................................................................... 43

    3-5 حل مقدار ویژه سیستم (ارتعاشات آزاد)..................................................................................................................... 44

    3-6 روابط جرم افزوده.............................................................................................................................................................. 45

    فصل چهارم: نتایج عددی و بحث                                                                                   47

    4-1 بازبینی و تصدیق روش ارائه شده برای سیال نامحدود.......................................................................................... 47

    4-2 نتایج عددی ومباحثه برای ارتعاشات آزاد.................................................................................................................. 48

    4-3 نتایج عددی و مباحثه برای ارتعاشات اجباری  با اعمال ولتاژ آنی...................................................................... 60

    فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهاد                                                                               66

    مراجع

    منبع:

     

    R., Batra, M., Porfiri, D., Spinello, Review of modeling electrostatically actuated microelectromechanical systems, Smart Mater Struct. 16(6), (2007) 23-31.

     R., Legtenberg, H., Tilmans, Electrostatically driven vacuum-encapsulated polysilicon resonators part I: Design and fabrication, Sensor Actuat. A-phys. 45(1), (1994) 57-66.

    S., Pamidighantam, R., Puers, K., Baert, H., Tilmans, Pull-in voltage analysis of a electrostatically actuated beam structurs with fixed fixed and fixed free end conditions. J Micromech Microeng, 12, (2002) 458-464.

    J., Zhu, Pull-in instability of two opposing microcantilever arrays with different bending rigidities. Int J Mech Sci, 50, (2008) 55-68.

    [5]RaiteriR., Grattarola,M., Butt,H. J., Skladal,P., Micromechanical cantilever-based biosensors, Sensors and Actuators B, 79, 115-126 (2001).

    [6]Oden, P.I., Chen, G. Y., Steele, R. A., Warmack, R. J., Thundat, T., Viscous drag measurement utilizing microfabricated cantilevers, Appl. Phys. Lett. 68, 3814-3816 (1996).

    [7]Claudio L.A.Berli, A. Cardona, On the calculation of viscous damping of microbeam resonators in air, Journal of Sound and Vibration 327, 249–253(2009).

    [8]Ostasevicius, V. Dauksevicius, R. Gaidys, R. Palevicius, A., Numerical analysis of fluid–structure interaction effects on vibrations of cantilever microstructure, Journal of Sound and Vibration 308, 660–673(2007).

    [9]Pandey,A. k. and Pratap, R., Effect of flexural modes on squeeze film damping in MEMS cantilever resonators, J. Micromech. Microeng. 17, 2475–2484 (2007).

    [10]ElieSader, J., Frequency response of cantilever beams immersed in viscous fluids with applications to the atomic force microscope, Journal of applied physics, 84(1), 64-76(1998).

    [11]Esmailzadeh, M. Lakis,A. A., Thomas, M.,Marcouiller, L. Three-dimensional modeling of curved structures containing and/or submerged in fluid, Finite Element in Analysis and Design, 44, 334-345(2008).

    [12]Liang, C. C., Liao, C. C., Tai, Y. S., Lai, W. H., The free vibration analysis of submerged cantilever plates”. Ocean Engineering, 28(9), 1225-1245(2001).

    [13]Lindholm, U.S., Kana, D.D., Chu, W.H., Abramson, H.N., Elastic vibration characteristics of cantilever plates in water. Journal of Ship Research 9, 11–12(1965).

    [14]Ergin, A. Ugurlu, B., Linear vibration analysis of cantilever plates partially submerged in fluid, Journal of Fluids and Structures, 17(7), 927-939(2003).

    [15]D. G. Gorman, I.Trendafilova, A. J. Mulholland, J. Horacek, Analytical modeling and extraction of the modal behavior of a cantilever beam in fluid interaction, Journal of Sound and Vibration, 308, 231–245(2007).

    [16]C. Atkinson, M. Manrique de Lara, The frequency response of a rectangular cantilever plate vibrating in a viscous fluid, Journal of Sound and Vibration, 300, 352–367(2007).

    [17]Kyeong-HoonJeong, Free vibration of two identical circular plates coupled with bounded fluid, Journal of Sound and Vibration, 260, 653-670(2003).

    [18]Jeong, Kyeong-Hoon, Hydroelastic vibration of two annular plates coupled with abounded compressible fluid, Journal of Fluids and Structures, 22(8), 1079-1096(2006).

    [19]Kyeong-HoonJeong, Gye-HyoungYoo, Seong-Cheol Lee, Hydroelastic vibration of two identical rectangular plates, Journal of Sound and Vibration, 272, 539-555(2004).

    [20]RezazadehG., Fathalilou, M., Shabani, R., Tarverdilou, S.,Talebian,S., Dynamic characteristics and forced response of an electrostatically-actuated microbeam subjected to fluid loading, Microsyst Technol, 15, 1355–1363(2009).

    John Elie Sader, Frequency response of cantilever beams immersed in viscous fluids with applications to the atomic force microscope, Journal of applied physics, 84(1), (1998) 64-76.

    [22]Harrison, C. Tavernier, E. Vancauwenberghe, O. Donzier, E. Hsud, K. A. Goodwin, F. Marty, B. Mercier, On the response of a resonating plate in a liquid near a solid wall, Sensors and Actuators A, 134, 414–426(2007).

    A. H., Nayfeh, M., Younis, E., Abdel-Rahman, Dynamic pull-in phenomenon in MEMS resonators, Nonlinear Dyn. 48, (2007) 153-168.

    P., Chao, C., Chiu, T., Liu, DC dynamic pull-in predictions for a generalized clamped clamped micro-beam based on a continuous model and bifurication analysis. J Micromech Microeng. 18 (2008).

    S., Krylov, R., Maimon, Pull-in dynamics of an elastic beam actuated by continuously distributed electrostatic force. J vib Acoust. 126 (2004) 332-42.

    V., Rochus, D., Rixen, J., Golinval, electrostatic coupling of MEMS structures: Transient simulations and dynamic pull-in, Nonlinear Anal- Theory. 63, (2005) 1619-33.

    W., Xie, H., Lee, S., Lim, Nonlinear dynamic analysis of MEMS switches by nonlinear modal analysis, Nonlinear Dyn. 31, (2003) 243-56.

    M. M., Joglekar, D. N., Pawaskar, Estimation of oscillation period/switching time for electrostatically actuated microbeam type switches, International Journal of Mechanical Sciences. 53 (2011) 116-125.

    R., Lin, W., Wang, Structural dynamics of microsystems-current state of research and future directions, Mech Syst Signal Process. 20(5), (2006) 1015-43.

    Z., Yong, H. D., Espinosa, Reliability of capacitive RF MEMS switches at high and low temperatures. Int J RF Microw. 14, (2004) 317–28.

    Z., Yong, H. D., Espinosa, Effect of temperature on capacitive RF MEMS switch performance – a coupled field analysis. J Micromech Microeng. 14, (2004) 1270–79.

    S., Talebian, G., Rezazadeh, M., Fathalilou, B., Toosi, Effect of temperature on pull-in voltage and natural frequency of an electrostatically actuated microplate, Mechatronics, 20, (2010) 666–673.

    C., Feng , Ya-Pu Zhao , D. Q., Liu, Squeeze-film effects in MEMS devices with perforated plates for small 



تحقیق در مورد پایان نامه تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر, مقاله در مورد پایان نامه تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر, پروپوزال در مورد پایان نامه تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر, تز دکترا در مورد پایان نامه تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر, تحقیقات دانشجویی درباره پایان نامه تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر, مقالات دانشجویی درباره پایان نامه تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر, پروژه درباره پایان نامه تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر, گزارش سمینار در مورد پایان نامه تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر, پروژه دانشجویی در مورد پایان نامه تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر, تحقیق دانش آموزی در مورد پایان نامه تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر, مقاله دانش آموزی در مورد پایان نامه تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر, رساله دکترا در مورد پایان نامه تحلیل دینامیکی میکروتیر یکسر گیردار در محفظه بسته حاوی سیال تراکم ناپذیر

ثبت سفارش
تعداد
عنوان محصول
بانک دانلود پایان نامه رسا تسیس