Skip to main content
SUPERVISOR
Mostafa Ghayour,Hamidreza Mirdamadi
مصطفی غیور (استاد راهنما) سیدحمیدرضا میردامادی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mahmood Ali asgari
محمود علی عسگری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Nonlinear Vibration and Electromechanical Modeling of Microbeams and Nanotubes Conveying Fluid
In this project, an aeroelastic model for electrostatically actuated microbeams subjected to external airflow is investigated. The effect of flow velocity on the static and dynamic pull-in instability phenomena is surveyed. The airflow passes between a microbeam and a ground rigid plate. Both doubly-clamped and cantilever micro-beams are analyzed. The first-order fringing field effect is included for modeling electrostatic force. Moreover, membrane stretching of microbeam generated by immovable boundary conditions is accounted to improve accuracy. Navier-Stokes’ equation is utilized for deriving fluid-structure interaction (FSI) equation. The results indicate that contrary to the singly-clamped microbeam, by considering dynamic pressure of external flow, a doubly-clamped microbeam would become unstable sooner and pull-in instability could occur for lower voltages. However, this effect for the doubly-clamped microbeam could be ignored except for very high velocities. In addition, we could observe a significant retardation in pull-in instability for a cantilever microbeam in the range of pre-flutter velocities. By including the gyroscopic terms for this microbeam, we could see a significant rise-and-fall effect for the post-flutter and pre-flutter velocities, respectively. Moreover, in the field of nanosystems, we introduce carbon nanotubes (CNT) as a material that has a significant potential for application in the FSI fields. Therefore natural frequency and nonlinear response of CNT conveying fluid based on coupling of nonlocal theory and von Karman’s stretching are obtained. Homotopy analysis method (HAM) is used for solving nonlinear differential equation of system and convergence region of approach presented. Effects of mid-plane stretching, nonlocal parameter and their coupling in the model are investigated. It is concluded that stretching effect is significant only for higher-amplitude initial excitations and lower beam aspect ratios. Moreover, by including the slip boundary condition, the effect of nano-size flow is revealed for the nonlinear vibration model. We conclude that small-size effects of nano-tube and nano-flow have impressed critical velocity of fluid significantly, specially, for gas fluid. Analytical results obtained from HAM solution show a satisfactory agreement with numerical solutions such as Runge-Kutta. Having an analytical approach, we have been able to investigate the unbounded growth of amplitude of vibrations for flow velocities near the critical velocity. For the rest of this survey, an electromechanical model is proposed for CNTs conveying fluid and by this way, the effect of applied voltage on the natural frequencies and divergence instability is investigated. The Van der Waals force between the outer surface of nanotube and substrates is also included in the modeling. Two methods of actuation are considered for electrostatic actuation as the single-side and double side actuation. We conclude that both of these methods reduce the stability of nanotube and critical flow velocities. Therefore, a combined method is proposed as the third method of actuation by exerting some controls based on the transverse displacement and velocity of the midpoint of nanotube. The effects of considering these controls on the stability and limitation of the vibration amplitude of nanotube are revealed by determining the nonlinear dynamic response of the nanotube obtained from numerical solutions. Keyword : carbon nanotube (CNT), homotopy analysis method (HAM), slip boundary condition, fluid-structure interaction (FSI), microelectromechanical systems (MEMS), nanoelectromechanical systems (NEMS)
در این پایان نامه با معرفی یک مدل آیروالاستیک برای میکروتیر های برانگیخته شده توسط نیروی الکترواستاتیک، اثر گذر سیال خارجی بر ولتاژ اتصال کوتاه و ناپایداری دینامیکی آنها مورد بحث قرار می گیرد. این مدل هم برای میکروتیر دو سر گیردار و هم یک سر گیردار بررسی می شود. هم چنین ناپایداری دیورژانس و فلاتر ناشی از گذر سیال خارجی نیز مورد توجه قرار می گیرد. در تمامی بخش های این پایان نامه، از روش رانژ-کوتا مرتبه چهار برای محاسبه ی پاسخ دینامیکی سیستم ها استفاده می شود. در هر قسمت نیز با اعتبار سنجی مدل های ساده شده ی ارایه شده، صحت روش های حل مساله مشخص می شود. در ادامه ارتعاش ناخطی نانولوله های کربنی سیال بر، با در نظر گرفتن اثر اندازه برای مقیاس کوچک هم برای سیال و هم برای نانولوله و نیز اثر کرنش فون کارمن، مورد بررسی قرار می گیرد و سرعت های بحرانی سیال که موجب بروز ناپایداری دیورژانس می شوند، به کمک روش تحلیلی هوموتوپی، محاسبه می شوند. هم چنین مقایسه ای میان نتیجه های بدست آمده ی کنونی با آنچه که در بررسی های پیشین محاسبه شده است، صورت می گیرد که نشان دهنده ی اعتبار این روش در حل مساله های ناخطی است. برای پی بردن به اثر تحریک خارجی الکترواستاتیک بر پایداری نانولوله، با ارایه ی مدلی که شامل اعمال تحریک یک طرفه و دوطرفه ی الکترواستاتیک و نیروی واندروالس بر نانولوله ی سیال بر است، تاثیر ولتاژ اعمال شده بر ناپایداری دیورژانس و نیز ناپایداری مربوط به ولتاژ اتصال کوتاه نانولوله بررسی می شود. هم چنین تاثیر در نظر گرفتن کنترل هایی بر اعمال ولتاژ بر مبنای جا به جایی و سرعت عرضی نانولوله، بر پیش گیری از ناپایداری و افزایش دامنه ی ارتعاش آن بررسی می گردد. گل واژگان: نانولوله ی کربنی، روش تحلیلی هوموتوپی،شرط مرزی لغزشی، اندرکنش سیال- سازه، نانوسیستم های الکترومکانیکی، میکروسیستم های الکترومکانیکی.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی