17118

40 گلپايگان

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

1395

ر،115ص: مصور، جدول، نمودار

مهدي مجاهدي، مسعود رهايي فرد

1400/11/09

كتابنامه

مهندسي مكانيك

فني مهندسي گلپايگان

1400/11/09

40

چكيده: سيستمهاي ميكروالكترومكانيك، سيستمهايي در ابعاد ميكرون بوده كه شامل مجموعهاي از عملگرها و حسگرها ميباشد. اين سيستمها قادر به شناسايي محيط در ابعاد ميكرون و تاثيرگذاري بر محيط در ابعاد ماكرو است. امروزه سيستمهاي ميكروالكترومكانيك در زمينههاي گستردهاي مانند هوافضا، رباتيك، خودرو-سازي و ارتباطات مورد استفاده قرار ميگيرد. ميكروژيروسكوپها يكي از انواع اين سيستمها بوده كه به منظور اندازهگيري زاويه و نرخ تغييرات آن و نيز حفظ موقعيت مورد استفاده قرار ميگيرد. ميكرو-ژيروسكوپها بر اساس ساختار و نوع عملكردشان داراي انواع مختلفي بوده كه نوع ارتعاشي آن در صنعت پركاربردتر است. در اين پژوهش به بررسي يك ميكروژيروسكوپ ارتعاشي با ساختاري متشكل از تير پرداخته ميشود. مدل تعريف شده شامل يك ميكروتير يكسر گيردار بوده و جرم گواه گستردهاي در انتهاي آن متصل گرديده بوده و با نيروي الكترواستاتيك تحريك ميگردد. در پژوهشهاي گذشته و در بررسيهاي مختلف بر روي اين سيستمها، جرم گواه به صورت متمركز در نظر گرفته شده است. در پژوهش حاضر با مدلسازي و به دست آوردن معادلات حاكم، رفتار ميكروتيرژيروسكوپي با جرم گواه گسترده بررسي مي-گردد. با در نظر گرفتن جرم گواه به صورت گسترده، توزيع نيروهاي الكترواستاتيك از حالت متمركز به گسترده تغيير يافته و گشتاورهاي ناشي از آن نيز در رفتار ژيروسكوپ تاثير گذار خواهد بود. برخي از پارامترهاي مهم در طراحي و ساخت ميكروژيروسكوپها عبارت از ولتاژ ناپايداري استاتيكي و ديناميكي، فركانس طبيعي و دامنه ارتعاشي در جهتهاي تحريك و شناسايي مي باشد. پارامتر بي بعد مهمي تحت عنوان پارامتر بي بعد طول، در اين پژوهش معرفي ميگردد. اين پارامتر عبارت از طول جرم گواه گسترده نسبت به طول ميكروتير است. اثر اين پارامتر در رفتار استاتيكي، ديناميكي، ارتعاشي و فركانسهاي طبيعي سيستم بررسي ميگردد. در طول محاسبات و نتيجهگيري مشخص خواهد شد كه با افزايش اين پارامتر بيبعد، اختلاف در نتايج حاصل از فرض متمركز به گسترده بيشتر خواهد شد. در بررسي ميكرو-ژيروسكوپ از فرضيات تير اولر- برنولي استفاده شده و معادلات حاصل با كمك روش گالركين كاهش مرتبه يافته و از طريق روشهاي تحليلي و عددي، رفتار سيستم بررسي ميگردد. سپس به منظور بررسي اثر كوچك شدن ابعاد سيستم در مقياس ميكرون، معادلات حاكم با در نظر گرفتن تئوري بهبود يافته تنش كوپل مجدداً، به دست آمده و نتايج فوق با در نظر گرفتن تئوري وابسته به ابعاد بهبود مييابد. نتايج نشان ميدهد كه استفاده از مدل گسترده براي جرم گواه، ميتواند با دقت بيشتري ناپايداري و رفتارارتعاشي سيستم را پيش بيني نمايد. همچنين بهرهگيري از تئوري بهبود يافته كوپل تنش در مدلسازي ميكروژيروسكوپ، منجر به كاهش ميزان ارتعاشات سازه در مقايسه با مدلسازي كلاسيك مي-گردد.

Abstract: Microelectromechanical systems are made of micron and sub-micron sizes and include a set of actuators and sensors. They can sense the micro-scale environment and actuate the macro-scale one. Nowadays microelectromechanical systems (MEMS) is widely used in various industry such as aerospace, robotic, automobile manufacturing and communication. Microgyroscopes as one of the most important of the microelectromechanical system are used to measure the angle and angular velocity. According to the structure and type of operation, microgyroscopes have variety of types. However the vibratory type is more applicable in industry. In this research, vibration behavior of a microgyroscope including beam structure is investigated. In modeling, microgyroscope consists of a microcantilever beam and distributed proof mass that is actuated by electrostatic force. In the previous work, static and dynamic behaviors of the microgyroscopes have been assessed with concentrated mass assumption for proof mass. But in this paper, a developed model and formulation based on the distributed assumption for proof mass are presented to investigate the instability and vibration behavior of beam microgyroscope. Considering distributed assumption for proof mass, electrostatic force changes from concentrated force to distributed force and produces a moment that is effective on the mechanical behavior of the gyroscope. An important nondimensional parameter named as nondimensional length parameter is presented which it is the ratio of the proof mass length to beam length. Effects of the nondimensional length parameter on the static, dynamic, vibration behaviors and natural frequency of the microsyetem are investigated. Calculations show that by increasing the nondimensional parameter, the differences between the results of concentrated and distribution hypothesizes for proof mass increase. In the mechanical behavior analysis of the microgyroscope, Euler-Bernoulli theory for beam is used to derive equation of motion. In addition, the equations are reduced by Galerkin’s method and solved via numerical and analytical techniques. In order to investigate the size dependent effect on the mechanical behavior of microgyroscope, the governing equations of motion are derived based on the modified coupe stress theory. The results depict that the distributed assumption for proof mass can more accurately predict the instability and vibration behavior of the system. Finally, comparison between the classical and nonclassical results demonstrates that applying the modified couple stress theory leads to a decrease in estimation of vibration amplitude.

مهدي مجاهدي، مسعود رهايي فرد