Dynamic Response of Initially Deformed and Imperfect Bi-stable Microbeams under the Combined Effect of Mechanical Shock Loads and Electrostatic Forces. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF JIHAD_THESIS_FINAL.pdf Download (3MB) | Preview

Arabic Abstract

في هذة الرسالة، تمت دراسة نوع من الأنظمة الحديثة المعروف علميا بإسم (ميمز) حيث انها كلمة باللغة الانجليزية تعني الأنظمة الكهروميكانيكية المجهرية. وكلمة مجهرية تشير الى الجزء من مليون، وبالتالي هذه الانظمة متناهية في الصغر. وبسبب صغرها، يصعب التنبؤ بحركاتها تحت تأثير الصدمات المفآجئة، وعادة ما يحصل بعض العيوب أثناء مرحلة التصنيع التي لا يمكن تفاديها. أحد هذه العيوب هو انحناء الجسور المجهرية التي يتم تصميمها على ان تكون مستقيمة تماما. ولكن بسبب عدة عوامل يصعب التحكم بها كالحرارة وغيرها، يحصل هذا الانحناء مما يؤدي الى تغير بعض خصائصها كمدى تحملها للصدمات ومقدار الإنحراف عن موضع السكون. وبسبب صغر هذه الانظمة فإن الكثير من العلاقات توصف بالغير خطية ولها عدة طرق للحل. وقد تم استخدام طريقة تسمى نموذج الدرجة المخفضة، حيث يتم اشتقاق نموذج الدرجة المخفضة باستخدام طريقٌة "جاليركن"، بحيث يتم افتراض وضعية الأشكال كدوال أساسية للإشتقاق. وفي هذة الرسالة تمت كتابة بعض الخوارزميات التي تقوم بتوقع درجة إنحراف الأنظمة الكهروميكانيكية والتي من خلالها نستطيع تحديد ما اذا بالامكان استخدام هذه الأنظمة فيما نريد من تطبيقات ام لا. وقد تم استخدام برنامج (ماثيماتيكا) في كتابة الخوارزميات وتم التحقق من النتائج عن طريق مقارنتها مع ما نشر في السابق من أبحاث وتجارب مخبرية في بعض المجلات العلمية. كما أنه تمت المقارنة مع برنامج المحاكاة الهندسي (أنسز) وكانت النتائج متوافقة ومتطابقة. وقد تم إستنتاج عدة أمور مثيرة للإهتمام كتغير سلوك الجسور المجهريه من كونها صلبة الي أن تكون لينة في ظروف معينه مما يؤدي لتغير استجابتها تماما وقد تؤدي الى اتلاف الجهاز في بعض الحالات القصوى. كما نأمل أن يتم استخدام هذة النتائج في تطبيقات مستقبلية لتحسين الاداء والقدرة على تحمل الصدمات بدون أي تلف أو قصور بالعمل بإذن الله تعالى .

English Abstract

This thesis investigates the influence of sudden drop tests on the nonlinear structural behavior of electrically actuated bi-table shallow Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) arches. The assumed structure consists of an initially bell-shaped doubly clamped microbeam with a rectangular cross-section. The Euler-Bernoulli beam theory is assumed to represent the nonlinear structural behavior of the bi-stable system under the combined effect of both the DC actuating load and the shaking waves. Moreover, the structural model takes into account both geometric mid-plane stretching and electric actuation nonlinear terms. A multi-modes Galerkin based decomposition is used to discretize the beam equations in order to extract a reduced-order model (ROM). The convergence of the ROM simulations is first verified and furthermore compared to an ANSYS based finite-element simulations in addition to published experimental data. A thorough ROM parametric study showed that the effect of increasing the shallow arch initial rise alter drastically the system behavior from undergoing an uninterrupted snap-through motion to a sudden snap-through instability. Moreover, the influence of the micro-arch beam’s initial rise value on its shock spectrum response was investigated. It was concluded that as the micro-arch initial rise value increases, it causes the bi-stable system to collapse under the combined DC and shock wave loadings if the shock wave duration is assumed to be lower or near the system’s fundamental natural period. All the presented graphs in this investigation represent some robust numerical approaches and design tools to help MEMS designers in improving both the reliability and efficiency of these bi-stable based micro-devices under shaking dynamic environments.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Ouakad, Hassen
Committee Members:	Sunar, Mehmet and Al-Nassar, Yagoub
Depositing User:	JIHAD ALQASIMI (g201030600)
Date Deposited:	04 Jun 2017 08:16
Last Modified:	30 Dec 2020 13:07
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140343