شماره راهنما :
1411 دكتري
پديد آورنده :
مولويان جزي، مهدي
عنوان :
تحليل ديناميك غيرخطي ميكروتير ميكروسكوپ نيروي اتمي با در نظر گرفتن اثرات اندازه
گرايش تحصيلي :
طراحي كاربردي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
چهارده، 133ص. :مصور، جدول، نمودار
استاد راهنما :
مصطفي غيور، سعيد ضيائي راد
استاد مشاور :
احسان معاني مياندوآب
توصيفگر ها :
ميكروسكوپ نيروي اتمي , اثر اندازه , تحليل پايداري , ديناميك غيرخطي , آشوب , نيروي هيدروديناميكي
استاد داور :
منصور رفيعيان، رضا تيكني، حسن موسوي
تاريخ ورود اطلاعات :
1398/04/26
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1398/04/26
چكيده فارسي :
1 چکیده اساس کار میکروسکوپ نیروی اتمی در مودهای غیرتماسی وضربهای استفاده از پاسخ دینامیکی تیر مرتعش برای تعیین توپوگرافی سطح در مقیاس نانو اسکت بنابراین پیشبینی صکحیح رفتار دینامیکی سکیستم برای طراحی مناسب و عملکرد دقیق آن ضروری است از طرفی بنابر نتایج مطالعات تجربی با کاهش ابعاد یک سازه در مقیاس میکرو و نانو برخالف پیشبینی تئوریهای کالسیک سختی بیبعد آن تغییر میکند این تغییر پدیدهای بسیار مهم در سازههای با ابعاد کوچک بوده و منجر به ارائه روشهای مدلسازی غیرکالسیک وابسته به اندازه شده است با این حال تحقیقاتی که اثر اندازه را در تحلیل دینامیکی میکروسکوپ نیروی اتمی لحاظ کرده باشند انگشت شمار هستند مضاف بر این تأثیر سیال نیز بر ارتعاشکات سکیسکتم آنطور که باید مطالعه نشده است از این رو این رساله کوششی برای تحلیل جامع دینامیک غیرخطی میکروسکوپ نیروی اتمی با در نظر گرفتن اثر اندازه است به این منظور با استفاده از تئوری االستیسیته گرادیان کرنشی و تئوری تنش کوپل بهبود داده شده تأثیر اندازه بر رفتار دینامیکی میکروسککوپ بررسی شده و نتایج با پیشبینیهای تئوری کالسیک مقایسه شده است معادالت غیرخطی حاکم بر حرکت میکروتیر اویلر برنولی میکروسککوپ بر اسکاس تئوریهای غیر کالسکیک مذکور و با اسکتفاده از اصکل همیلتون اسکتخراج شده و با بهکارگیری روش گالرکین مدل گسکسکته سکیسکتم بهدسکت آمده اسکت با بررسی دامنه و فرکانس ارتعاشات آزاد میکروتیر ضرورت در نظر گرفتن اثر اندازه برای تخمین صکککحیحتری از فرکانس و دامنه کاری در مود غیر تماسکککی نشکککان داده شکککده اسکککت همچنین تأثیر نیروهای هیدرودینامیکی و میرایی ناشکی از الیه فشکرده سیال بر نوسانات آزاد میکروسکوپ نیروی اتمی مطالعه شده است عالوه بر صحت سنجی مدل ارائه شکککده با اسکککتفاده از نتایج تجربی دقت روش حل معادالت از تقریب مود اول گالرکین نیز در قیاس با نتایج دو مود اول و همچنین روش عددی معادالت آنالوگ تأیید شکده اسکت در ادامه پایداری سکیستم بررسی شده و رفتار سیستم در نزدیکی نقاط تعادل آن بر حسب مقادیر مختلف میرایی به صککورت تحلیلی پیشبینی شککده اسککت همچنین نمودار دوشککاخگی نقاط تعادل و نواحی ناپایدار آن بر اسککاس تئوریهای ک ک ک ک ک غیرکالسکیک اسکتخراج شکده و مقایسکه آن با نتایج تئوری کالسکیک تفاوت ناحیه پایدار پیشبینی شکده را نشان داده است در این پژوهش به صکککورت تحلیلی و با اسکککتفاده از رویکرد اغتشکککاشکککات و روش مقیاسهای چندگانه مرتبه دو به بررسکککی تأثیر اندازه و همچنین تأثیر نیروهای هیدرودینامیکی ناشکی از سیال بر پاسخ فرکانسی و حساسیت میکروسکوپ نیروی اتمی پرداخته شده است نتایج نشان داده است که حساسیت میکروسککوپ با افزایش فرکانس تشکدید زیاد میشود و با افزایش چگالی و ویسکوزیته سیال کاهش مییابد در فاز نهایی رساله با استفاده از روشهای عددی و تحلیلی به مطالعه آشوبناکی ارتعاشات میکروسکوپ پرداخته شده و با بررسی تأثیر پارامترهایی نظیر فاصله اولیه میکروتیر تا سکطح نمونه دامنه تحریک و میرایی بر آشکوبناکی سکیسکتم تفاوت زیاد نواحی آشکوبناک پیشبینی شککده با و بدون در نظر گرفتن اثر اندازه ک کک ک ک آشککار شکده اسکت و در نهایت از آنجایی که آشکوبناکی سیستم خطای فاحشی در تخمین توپوگرافی سطح ایجاد میکند با استفاده از معیار بیشکینه نمای لیاپانوف محدوده کاری میکروسککوپ با نوسکانات منظم بر حسکب فاصکله اولیه و دامنه تحریک برای میراییهای مختلف سیستم پیشبینی شککده اسککت با توجه به تمایل روزافزون طراحان میکروسکککوپهای نیروی اتمی به کوچکتر نمودن ابعاد آن یافتههای این رسککاله میتواند در پیشبینی صحیح رفتار دینامیکی و انتخاب دقیقتر پارامترهای طراحی و بهرهبرداری کارگشا باشد کلمات کلیدی میکروسککککوپ نیروی اتمی اثر انککدازه تحلیککل پککایککداری دینککامیککک غیرخطی آشکککوب نیروی هیدرودینامیکی
چكيده انگليسي :
Nonlinear dynamic analysis of atomic force microscopes considering size effect Mehdi Molavian Jazi m molavian@iut ac ir Date of Submission 13 03 2019 Department of Mechanical Engineering Isfahan University of Technology Isfahan 84156 83111 IranSupervisor Dr Mostafa Ghayour1 ghayour@cc iut ac irSupervisor Dr Saeed Ziaei Rad1 szrad@cc iut ac irAdvisor Dr Ehsan Maani Miandoab2 e maani@ut ac irDepartment Graduate Program Coordinator Dr Reza TikaniAbstractThe atomic force microscopes AFM determine topography of surfaces in nano scale by means of dynamicresponse of a micro cantilever beam Therefore accurate mathematical modeling and simulation of cantileverdynamics are crucial to design and fabrication of the AFM Thickness of AFM cantilevers is in order of fewmicrons or sub microns and producers trend to make it even smaller because of having more resolution andsensitivity By reducing the cantilever thickness the size effect may be appeared which can change the AFMdynamics In this research the effect of size and surrounding fluid on the dynamic behavior of AFM is investigatedbased on the non classic theories Governing equations of the motion are derived using Hamilton s principle basedon gradient strain and modified couple stress theories for Euler Bernoulli micro cantilever beam Next theGalerkin projection method is applied to extract the lumped model By analysis of the amplitude and frequencyof free vibration the necessity of considering the size effect for more reliable estimation of working range isshown Moreover the effect of squeeze film damping and hydrodynamic forces of the fluid on the dynamicbehavior of AFM is investigated Comparing the results with previously reported experimental ones in theliterature the model is validated In addition accuracy of the solution technique is verified by comparing theresults with two degree of freedom model and analogue equations method Also the stability analysis frequencyresponse and sensitivity of AFM based on classic and nonc lassic theories are investigated and the obtained resultsare compared with each other In the final phase of the dissertation using numerical and analytical methods thechaotic behavior of microscope is studied For this purpose the effect of essential parameters such as initialdistance between the tip and the surface amplitude of excitation and damping on the chaotic motion of the systemare studied with and without considering the size effect Furthermore using maximum exponent of Lyapunov theworking range of microscope with periodic oscillations is determined as a function of initial distance andamplitude of excitation Findings of this research can be helpful in the design and characterization of the AFMsparameters and more reliable prediction of its size dependent dynamic behavior Keywords Atomic Force Microscope Size Effect Modified Couple Stress Theory Gradient StrainTheory Stability Analysis Nonlinear Dynamic Frequency Response Chaos 1 Department of Mechanical Engineering Isfahan University of Technology Isfahan Iran 2 School of Engineering Science College of Engineering University of Tehran Tehran Iran
استاد راهنما :
مصطفي غيور، سعيد ضيائي راد
استاد مشاور :
احسان معاني مياندوآب
استاد داور :
منصور رفيعيان، رضا تيكني، حسن موسوي
