پایان نامه ارشد مهندسی مکانیک گرایش طراحی کاربردی: تحلیل غیر خطی دینامیکی و ارتعاشی نانولوله کربنی در سیستم نانوالکترومکانیک‌سوییچ با استفاده از تئوری غیر‌محلی الاستیسیته

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک

گرایش : طراحی کاربردی

عنوان :تحلیل غیر خطی دینامیکی و ارتعاشی نانولوله کربنی در سیستم نانوالکترومکانیک‌سوییچ با بهره گرفتن از تئوری غیر‌محلی الاستیسیته

دانشگاه کاشان

دانشکده مهندسی مکانیک

پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک

گرایش طراحی کاربردی

عنوان:

تحلیل غیر خطی دینامیکی و ارتعاشی نانولوله کربنی در سیستم نانوالکترومکانیک‌سوییچ با بهره گرفتن از تئوری غیر‌محلی الاستیسیته

استاد راهنما:

پروفسور علی قربان پورآرانی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

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)

فهرست مطالب:

1-فصل اول : مقدمه    1

1-1-سیستم‌های میکرو و نانو الکترومکانیکی      1

1-1-1-  سوییچ‌های الكترواستاتیك… 5

1-1-1-1-مزایا و معایب میکرو و نانوسوییچ‌ها  6

1-1-2-سیستم‌های میکرو و نانو الکترومکانیکی در شناسایی ذره‌ خارجی   9

1-1-3-  تئوری‌های کلاسیک و غیر موضعی.. 10

1-1-4-فصل‌بندی پژوهش… 11

1-2-مفاهیم پایه و اصلی   13

1-2-1-تحریک الکترواستاتیک در میدان الکتریکی   13

1-2-2-نیروی بین ملکولی واندروالس    16

1-2-2-1-مقدمه    16

1-2-2-2-تعامل نیروی واندروالس و الکترواستاتیک در نانوسوییچ.. 17

1-2-3-تئوری تنش غیرمحلی.. 18

1-2-4-حسگر جرمی.. 20

1-3-مروری بر ادبیات و تاریخچه موضوع تحقیق    22

1-3-1-مروری بر تاریخچه مدلسازی و طراحی میکرو/نانوسوییچ‌های کربنی   22

1-3-2- مروری بر روش‌های حل عددی و تحلیلی میکرو/نانو تیرهای تحریک‌شده با میدان الکتریکی   25

1-3-3-پیشرفت‌های انجام شده در زمینه سنسورها 29

1-3-4-اهداف پژوهش و سازماندهی.. 32

2-فصل دوم : مدلسازی مسأله. 34

2-1-استخراج معادله حاکم بر مسأله  34

2-2-استخراج شرایط مرزی   38

2-2-1-سوییچ یکسرگیردار 38

2-3-  بی‌بعد‌سازی معادلات.. 40

2-4-بسط تیلورنیروهای غیر خطی   41

2-5-حل خطی مسأله. 41

2-6-تاثیر ولتاژ روی فرکانس طبیعی تیر    43

3-فصل سوم : تحلیل استاتیکی و دینامیکی سیستم.. 46

3-1-تحلیل استاتیکی   46

3-1-1-روش حل معادلات مقدار مرزی در متلب   47

3-1-2-نتایج و نمودارهای تحلیل استاتیک    48

3-2-تحلیل دینامیکی   59

3-2-1-  مقدمه. 59

3-2-2-استخراج معادله خطی و همگن برای ارتعاش آزاد. 60

3-2-3-حل ارتعاش آزاد مسأله. 62

3-2-3-1-شرایط مرزی طبیعی در    64

3-2-4-روش گالرکین، و حذف وابستگی به مکان در مسئله  66

3-2-5-حل عددی معادله دیفرانسیل غیرخطی وابسته به زمان  68

3-2-6-نمودار ها و نتایج تحلیل دینامیک    69

4-فصل چهارم : بررسی ناپایداری سیستم با حضور ذره جرمی محرک… 77

4-1-مقدمه 77

4-1-1-ارتعاش سازه‌ها تحت بار یا ذره محرک    77

4-1-2-نانو ذره محرک در سیستم‌های نانو الکترومکانیک    78

4-2-فرضیات لازم جهت مدلسازی مسأله  79

4-3-فرموله کردن مسأله  80

4-3-1-معرفی پارامترهای بدون بعد ذره 82

4-4-نتایج عددی و بحث‌ها 83

5-فصل پنجم : ناپایداری استاتیکی غیرخطی غیرمحلی نانوسوییچ ‌نیترید-بور. 88

5-1-         مقدمه. 88

5-2-نانوسوییچ نیترید-بور 89

5-3-مدلسازی نانوسوییچ   90

5-3-1-راوابط کرنش-جابجایی.. 90

5-3-2-مواد پیزوالکتریک… 90

5-3-3-  نیروی‌های خارجی.. 91

5-3-4-تئوری پیزوالاستسیته غیرمحلی.. 92

5-4-معادلات حاکم  92

5-5-روش حل و نتایج عددی   95

5-5-1-روش مربع‌سازی دیفرانسیلی.. 95

5-5-2-نتایج عددی و بحث‌ها 97

6-فصل ششم : نتیجه‌گیری و پیشنهادها 101

6-1-نتیجه‌گیری   101

6-1-1-لزوم تحلیل و سازماندهی پژوهش    101

6-1-2-نتایج تحلیل و بررسی پژوهش    102

6-2-پیشنهادها برای کارهای بعدی   105

پیوست        106

الف- تعریف دستور روش bvp4c در متلب.. 106

مراجع     108

 

فهرست شکل‌ها
شکل ‏1‑1: ماده پیزو الکترویک در حالت تحریک کننده و حس‌کننده(تشخیص واندازه گیری) [3] 3

شکل ‏1‑2: نمایش حالت روشن و خاموش سوییچ با تحریک الکترواستاتیک[3] 6

شکل ‏1‑3: تصویری از تحریک الکترواستاتیکی CNT Switch درمداری که با منبع ولتاژ و مقاومت فیدبک تنظیم می‌شود. 9

شکل ‏1‑4: شماتیک سه بعدی میکرو/نانو تیرتحریک شده با مدل خازن در میدان الکتریکی.. 14

شکل ‏1‑5: نمایش تعادل نیروها برای نانو سوییچ کربنی بالای صفحه زمین با هندسه یک‌سرگیردار 17

شکل ‏1‑6: نمودار پاسخ فرکانسی تیر یکسرگیردار تحریک شده نزدیک رزونانس اولیه قبل و بعد از شناسایی جرم. پاسخ زمانی میکروتیر قبل و بعد از تشخیص جرم  نشان می‌دهد، سوییچی که در فرکانس تحریک ثابت در حال نوسان است، با تشخیص جرم فعال شده (STMT) و سقوط می‌کند[3]. 21

شکل ‏2‑1: المان تیر اویلربرنولی.. 35

شکل ‏2‑2: نسبت فرکانس اساسی تیرخمیده به تیر مستقیم بر حسب تغییرات ولتاژ سوییچ یکسرگیردار 44

شکل ‏2‑3: نسبت فرکانس اساسی تیرخمیده به تیر مستقیم بر حسب تغییرات ولتاژ سوییچ دوسرگیردار 45

شکل ‏2‑4: تأثیرتغییرات ولتاژ روی نقطه تعادلی تیر یکسرگیردار که حول آن سوییچ نوسان می‌کند. 45

شکل ‏3‑1: منحنی اعتبار سنجی. جابجایی ماکزیمم برحسب ولتاژ- مقایسه کار حاضر با مدل روتکین ]21[  49

شکل ‏3‑2: اثر پارامترغیرموضعی روی ولتاژ ناپایداری استاتیکی.. 50

شکل ‏3‑3: نمودار جابجایی سر آزاد تیر- برحسب ولتاژ به ازای پارامتر غیر موضعی (0.1) 51

شکل ‏3‑4: اثر نیروی واندروالس روی ولتاژ ناپایداری استاتیکی.. 52

شکل ‏3‑5: اثر پارامتر غیرموضعی در تغییر رفتار تیریکسرگیردار تحت بارگذاری سهموی.. 53

شکل ‏3‑6: تغییر رفتار نمودار جابجایی انتهای تیریکسرگیردار برحسب ولتاژ با ( ) در ازای گپ‌های 1و2و3 نانومتری قبل از پولین   54

شکل ‏3‑7: اثر نیروی واندروالس و پارامتر غیر موضعی روی ولتاژ ناپایداری استاتیکی تیر دوسرگیردار 55

شکل ‏3‑8: نمودار جابجایی نقطه میانی تیردوسرگیردار برحسب ولتاژ با ( ) در ازای سه طول‌ 40و60و100 نانومتری قبل از پولین   57

شکل ‏3‑9: تغییر رفتار نمودار جابجایی نقطه انتهایی تیریکسرگیردار برحسب ولتاژ با ( ) در ازای سه طول‌ 40و60و100 نانومتری قبل از پولین.. 58

شکل ‏3‑10: رفتار دینامیکی نانولوله یکسرگیردار به ازای ولتاژ مستقیم مختلف بدون حضور نیروی واندروالس    70

شکل ‏3‑11: رفتار دینامیکی  نانولوله یکسرگیردار به ازای ولتاژ مستقیم مختلف در حضور نیروی واندروالس    72

شکل ‏3‑12: رفتار دینامیکی نانولوله یکسرگیرداربا پارامتر غیرموضعی 0.1 به ازای ولتاژهای مستقیم مختلف بدون نیروی واندروالس    73

شکل ‏3‑13: رفتار دینامیکی نانولوله یکسرگیردار با پارامتر غیرموضعی 0.1 به ازای ولتاژهای مستقیم مختلف در حضور نیروی واندروالس    74

شکل ‏3‑14: منحنی رفتار وابستگی دومتغیره فرکانس طبیعی اساسی نانولوله به ولتاژ استاتیکی اولیه و پارامتر غیرموضعی   76

شکل ‏4‑1: رفتار جابجایی نرمالایز شده انتهای تیر یکسرگیردار حین عبور ذره با  ،   و  . به ازای ولتاژهای کمتر از پولین دینامیک… 85

شکل ‏4‑2: نمایش ناپایداری کششی تیر در بازه زمانی حرکت ذره به ازای سرعت ‌های مختلف-با پارامتر غیرموضعی 0.1  86

شکل ‏5‑1: منحنی جابجایی ماکزیمم سوییچ یکسرگیردار نیترید-بور برحسب ولتاژ اعمالی در دوحالت خطی و غیرخطی   98

شکل ‏5‑2: اثر پارامتر غیرموضعی روی جابجایی ماکزیمم سوییچ‌ یکسزگیردار نیترید-بور 99

شکل ‏5‑3: تغییرات پتانسیل الکتریکی بدون بعد در طول تیر یکسرگیردار به ازای پارامتر موضعی.. 100

شکل ‏5‑4: تغییرات پتانسیل الکتریکی بدون بعد در طول تیر دوسرگیردار به ازای پارامتر موضعی.. 100

 

فهرست جدول‌ها

تحلیل غیر خطی دینامیکی و ارتعاشی نانولوله کربنی در سیستم نانوالکترومکانیک‌سوییچ با بهره گرفتن از تئوری غیر‌محلی الاستیسیته  1

جدول ‏3‑1: پارامترهای هندسی و خواص مکانیکی نانولوله کربنی وثابت‌های نیرویی.. 48

جدول ‏3‑2: تاثیر گپ در حضور و عدم حضور نیروی واندروالس روی ولتاژ پولین استاتیکی تیریکسرگیردار 56

جدول ‏3‑3: اثر طول روی ولتاژ پولین استاتیک برای دو تیر یکسرآزاد و دوسرگیردار 58

جدول ‏3‑4: تاثیر گپ روی ولتاژ ناپایداری نانولوله‌ بدون نیروی واندروالس… 72

جدول ‏3‑5:تاثیر ولتاژ استاتیک اولیه و پارامترهای غیرموضعی مختلف روی فرکانس اساسی نانولوله یکسرگیردار 75

جدول ‏4‑1: مشخصه‌ های هندسی سوییچ سنسوری و ویژگی‌های نانولوله کربن.. 84

جدول ‏4‑2: سرعت و طول زمان حرکت ذره و ولتاژهای اعمال شده به سیستم با هندسه مشخص… … 87

جدول ‏5‑1: مشخصات هندسی و خواص فیزیکی و مکانیکی نانولوله نیترید-بور 97

چکیده :

سیستم‌های میکرو و نانو الکترومکانیکی به خاطر ویژگی‌های متمایز و مشخصه‌ های منحصر به‌فرد، عمدتاً در دو حوزه حسگرها و عمگرها، در علوم مختلف همچون مکانیک، هوافضا و پزشکی موردتوجه قرارگرفته‌اند. تحریک الکترواستاتیک یکی از ساده‌ترین و پرکاربردترین روش‌های تحریک و راه‌ اندازی این سیستم‌ها بوده که منجر به وقوع ناپایداری در آن‌ها می‌گردد.

پیش‌بینی رفتار استاتیکی و دینامیکی سیستم‌های الکترومکانیکی در ابعاد نانو با تئوری‌های کلاسیک، با خطا همراه بوده ‌است. به همین منظور در تحقیق حاضر، تحریک الکترواستاتیکی نانوسوییچ‌ها و نانوحسگرهای کربنی با بهره گرفتن از تئوری تنش غیرمحلی بررسی می‌شود. ابتدا معادلات غیرخطی و شرایط مرزی طبیعی حاکم بر مساله با تئوری غیرموضعی بازنویسی شده و جابجایی نانوتیر به دو قسمت استاتیکی و دینامیکی تقسیم می‌گردد. حل معادله استاتیکی انجام شده، و سپس با حل مسأله مقدار ویژه معادله دینامیکی، فرکانس طبیعی و شکل مود ‌نرمالی استخراج می‌‌شود که تابع ولتاژ استاتیکی اولیه و پارامتر غیرموضعی است، تا بتواند در روش تقریبی گالرکین برای حل معادلات و تعیین هرچه دقیق‌تر ولتاژ و زمان ناپایداری دینامیکی نانوسوییچ استفاده گردد. در تحلیل ارتعاشی با معرفی مدل جدید نانوحسگرکربنی در حضور نانو ذره محرک کارایی آن امتحان می‌شود. همچنین ناپایداری کششی غیرمحلی و غیرخطی نانوسوییچ نیترید-بور با تئوری پیزو الاستسیته غیرمحلی بررسی می‌گردد. در نهایت نتایج بدست آمده از تحلیل نمودارهای استاتیکی و دینامیکی و ارتعاشی نشان ‌می‌دهد اثر غیرموضعی رفتار نانوسوییچ الکترومکانیکی را به ویژه در حوزه کمیت‌های ناپایداری تحت تأثیر قرار می‌دهد.

تعداد صفحه : 128

قیمت : 14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

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

پشتیبانی سایت :       

*         asa.goharii@gmail.com

در صورتیکه با پرداخت آنلاین مشکلی دارید می توانید مبلغ مربوط به هر فایل را به شماره کارت 6037991199500590 به نام خيريه محک واريز کرده و تصوير پرداختي و عنوان فايل درخواستي را به ایمیل asa.gohari@gmail.com

ارسال کرده تا فايل برایتان ارسال شود.