پیوندهای مفید
آمار
| تعداد نشریات | 9 |
| تعداد شمارهها | 452 |
| تعداد مقالات | 5,748 |
| تعداد مشاهده مقاله | 8,234,479 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 6,752,120 |
بررسی دوپایداری میکروصفحات پیزوالکتریک تحت فشار بر مبنای تئوری تنشکوپل بهبودیافته | ||
| نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر | ||
| مقاله 5، دوره 54، شماره 2، اردیبهشت 1401، صفحه 357-376 اصل مقاله (2.63 M) | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22060/mej.2022.20267.7203 | ||
| نویسندگان | ||
| مریم محمدجانی؛ امیررضا عسکری* | ||
| گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران. | ||
| چکیده | ||
| اخیراً ثابت شده است علاوه بر ریزسازههای دارای خمیدگی اولیه، میکرو ورقهای مسطح تحت فشار نیز میتوانند ناپایداری واجهش را تجربه کنند. با توجه به کاربردهای بالقوهی این میکروصفحات در طراحی سنسورهای فوق حساس، هدف این مقاله بررسی رفتار دوپایدار چنین سازههایی هنگام ترکیب آنها با یک لایهی پیزوالکتریک است. بدین منظور از تئوری تنشکوپل بهبودیافته به همراه مدل صفحهی غیرخطی کیرشهف استفاده میشود. با استفاده از روش گالرکین، معادلات کاهیده شده تعادل و پایداری حاصل میگردند. سپس با حل همزمان این معادلات، نقاط بحرانی مسیر تعادل میکرو ورق تعیین میگردند. یافتههای حاضر با نتایج موجود در منابع مقایسه و تأیید میشوند. در ادامه تأثیر تحریک پیزوالکتریک بر پاسخ دوپایدار سیستم بررسی میگردد. نتایج نشان میدهند شکل مسیر تعادل و همچنین تعداد و موقعیت نقاط بحرانی آن با اعمال ولتاژ پیزوالکتریک شدیداً تحت تأثیر قرار میگیرند. مقاله حاضر برخلاف مطالعات پیشین نشان میدهد، اعمال ولتاژ پیزوالکتریک مثبت همواره باعث کاهش آستانهی ناپایداری کشیدگی سیستم نمیشود و گاهی اوقات تحت تحریک مقادیر بزرگ فشار دیفرانسیلی، میتواند باعث افزایش آن گردد. همچنین نتایج حاکی از آنند که با اعمال ولتاژ پیزوالکتریک مثبت، ناحیهی واجهش منبسط و با اعمال مقادیر منفی، این ناحیه منقبض میگردد. نتایج حاضر میتواند برای مهندسان صنعت سیستمهای میکروالکترومکانیکی بسیار مفید باشد. | ||
| کلیدواژهها | ||
| سیستمهای میکروالکترومکانیکی؛ فشار دیفرانسیلی؛ ناپایداری واجهش؛ مواد پیزوالکتریک | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Investigating Bi-Stability of Pressurized Piezoelectric Micro-Plates Based on the Modified Couple Stress Theory | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Maryam Mohammadjani؛ Amir Reza Askari | ||
| Department of Mechanical Engineering, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran | ||
| چکیده [English] | ||
| Recently, it has been substantiated that besides initially curved micro-structures, pressurized flat micro-plates can also experience snap-through instability. Given the potential applications of these micro-plates in designing high-sensitive sensors, the present work aims to investigate the bi-stable behavior of such structures when they are integrated with a piezoelectric layer. To this end, the modified couple stress theory together with the geometric nonlinear Kirchhoff plate model are employed. Hiring Galerkin’s method, the reduced governing equilibrium, and stability equations are then achieved. The limit points associated with the micro-plate equilibrium path are then determined through the simultaneous solution of these equations. The present findings are compared and validated by available results in the literature. The influence of the piezoelectric actuation on the bi-stable response of the system is then investigated. The results reveal that the shape of the micro-plate equilibrium path and the number and the position of its limit points can seriously be affected by applying the piezoelectric voltage. Despite the previous studies, the present paper shows that applying positive piezoelectric voltage does not decrease the pull-in threshold of the system all the time and can sometimes increase it when the micro-plate undergoes large differential pressures. Furthermore, the results reveal that applying positive piezoelectric voltages expands the snapping zone while negative ones downsize this region. The present results can be very useful for micro-electromechanical system engineers. | ||
| کلیدواژهها [English] | ||
| Micro-electromechanical system, Differential pressure, Snap-through instability, Piezoelectric materials | ||
| مراجع | ||
|
[1] J.F. Rhoads, S.W. Shaw, K.L. Turner, The nonlinear response of resonant microbeam systems with purely-parametric electrostatic actuation, J. Micromech. Microeng., 16 (2006) 890-899. [2] J.A. Pelesko, Mathematical modeling of electrostatic MEMS with tailored dielectric properties, SIAM J. Appl. Math., 62(3) (2002) 888-908. [3] P.M. Osterberg, Electrostatically Actuated Microelectromechanical Test Structures for Material Property Measurement, Massachusetts Institute of Technology, 1995. [4] G.I. Taylor, The coalescence of closely spaced drops when they are at different electric potentials, Proc. of Roy. Soc. A. 306, (1968) 423-434. [5] H.C. Nathanson, W.E. Newell, R.A. Wickstrom, J.R. Davis, The resonant gate transistor, IEEE T. Electron. Dev., 14(3) (1967) 117-133. [6] S. Krylov, N. Dick, Dynamic stability of electrostatically actuated initially curved shallow micro beams, Continuum Mech. Therm., 22(6) (2010) 445-468. [7] B. Sajadi, H. Goosen, F.v. Keulen, Bi-stability of micro-plates: A sensitive mechanism for differential pressure measurements, Appl. Phys. Lett., 111(12) (2017) 124101. [8] A.R. Askari, Bi-stability of pressurized electrically actuated flat micro-plates, International Journal of Solids and Structures, 178-179 (2019) 167 - 179. [9] N.A. Fleck, G.M. Muller, M.F. Ashby, J.W. Hutchinson, Strain gradient plasticity: theory and experiment, Acta Metall. Mater., 42 (1994) 475–487. [10] D.C.C. Lam, F. Yang, A.C.M. Chong, J. Wang, P. Tong, Experiments and theory in strain gradient elasticity, J. Mech. Phys. Solids, 51 (2003) 1477-1508. [11] F. Yang, A.C.M. Chong, D.C.C. Lam, P. Tong, Couple stress based strain gradient theory for elasticity, Int. J. Solids Struct., 39 (2002) 2731-2743. [12] M.H. Kahrobaiyan, M. Asghari, M.T. Ahmadian, Strain gradient beam element, Finite Elem. Anal. Des. , 68 (2013) 63–75. [13] M. Asghari, Geometrically nonlinear micro-plate formulation based on the modified couple stress theory, int. J. Eng. Sci., 51 (2012) 292–309. [14] M. Tahani, A.R. Askari, Y. Mohandes, B. Hassani, Size-dependent free vibration analysis of electrostatically pre-deformed rectangular micro-plates based on the modified couple stress theory, Int. J. Mech. Sci., 94-95 (2015) 185-198. [15] A.R. Askari, M. Tahani, Presenting a size-dependent electro-mechanical model for rectangular plates-based resonant micro-sensors based on modified couple stress theory, J. Modares Mechanical Engineering, 14(8) (2014) 121-130. [16] X. Zhao, E.M. Abdel-Rahman, A.H. Nayfeh, A reduced-order model for electrically actuated microplates, J. Micromech. Microeng. , 14 (2004) 900–906. [17] K.F. Wang, T. Kitamura, B. Wang, Nonlinear pull-in instability and free vibration of micro/nanoscale plates with surface energy – A modified couple stress theory model, Int. J. Mech. Sci., 99 (2015) 288-296. [18] R.C. Batra, M. Porfiri, D. Spinello, Reduced-order models for microelectromechanical rectangular and circular plates incorporating the Casimir force, Int. J. Solids Struct., 45 (2008) 3558-3583. [19] A.R. Askari, M. Tahani, Size-dependent dynamic pull-in analysis of geometric non-linear micro-plates based on the modified couple stress theory, Physica E, 86 (2017) 262-274. [20] A. Kazemi, R. Vatankhah, M. Farid, Nonlinear pull-in instability of microplates with piezoelectric layers using modified couple stress theory, International Journal of Mechanical Sciences, 130 (2017) 90-98. [21] M.H. Ghayesh, H. Farokhi, Nonlinear dynamics of microplates, Int. J. Eng. Sci., 86 (2015) 60-73. [22] M.H. Ghayesh, H. Farokhi, Coupled size-dependent behavior of shear deformable microplates, Acta Mech., 227(3) (2016) 757-775. [23] H. Farokhi, M.H. Ghayesh, Modal interactions in primary and subharmonic resonant dynamics of imperfect microplates with geometric nonlinearities, Acta Mech. Sin., (2015) 1-12. [24] H. Farokhi, M.H. Ghayesh, Nonlinear size-dependent dynamics of an imperfect shear deformable microplate, J. Sound Vib., 361 (2016) 226-242. [25] H. Farokhi, M.H. Ghayesh, Nonlinear mechanics of electrically actuated microplates, Int. J. Eng. Sci., 123 (2018) 197-213. [26] H. Raeisifard, M.N. Bahrami, A. Yousefi-Koma, H.R. Fard, Static characterization and pull-in voltage of a micro-switch under both electrostatic and piezoelectric excitations, European Journal of Mechanics-A/Solids, 44 (2014) 116-124. [27] M.N. Bahrami, A. Yousefi-Koma, H. Raeisifard, Modeling and nonlinear analysis of a micro-switch under electrostatic and piezoelectric excitations with curvature and piezoelectric nonlinearities, Journal of Mechanical Science and Technology, 28(1) (2014) 263-272. [28] G. Rezazadeh, A. Tahmasebi, M. Zubstov, Application of piezoelectric layers in electrostatic MEM actuators: controlling of pull-in voltage, Microsystem technologies, 12(12) (2006) 1163-1170. [29] R.C. Batra, M. Porfiri, D. Spinello, Review of modeling electrostatically actuated microelectromechanical systems, Smart Mater. Struct., 16 (2007) 23-31. [30] M.I. Younis, MEMS Linear and Nonlinear Statics and Dynamics, Springer, New York, 2011. [31] J.N. Reddy, Theory and Analysis of Elastic Plates and Shells, 2nd ed., Taylor & Francis, Philadelphia, 2007. [32] J.N. Reddy, Energy Principles and Variational Methods in Applied Mechanics, John Wiley & Sons, New York, 2002. [33] A.R. Askari, Non-linear Analysis of Electrically Actuated Thin Micro-Plates Based on The Modified Couple Stress Theory, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran, 2017. (in Persian) [34] B. Balachandran, E. Magrab, Vibrations, 2nd ed., Cengage Learning, Toronto, 2009. [35] J.D. Faires, R.L. Burden, Numerical methods 3rd ed., Brooks/Cole, 2002. [36] MATLAB, Version 9.1.0.441655 (R2016b), (https://www.mathworks.com/). [37] S.A. Alkharabsheh, M.I. Younis, Statics and dynamics of MEMS arches under axial forces, J. Vib. Acoust., 135(2) (2013) 021007. | ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 842 تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 1,016 |
||