NONLINEAR STRUCTURAL MECHANICS OF ELECTRICALLY ACTUATED CARBON NANOTUBE BASED NEMS DEVICES USING A HIGHER-ORDER STRAIN GRADIENT THEORY. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS_THESIS_ISWAN_FINAL_MAY_2017.pdf Download (3MB) | Preview

Arabic Abstract

تقترح هذه الرسالة التتحقيق في السلوك غير الخطي المعتمد على الحجم لأنابيب الكربون النانوية(CNT) المثارة كهربائياً على اساس عارضة نانوية مع تضمين تشوه إنحدار الإنفعال ذو الطراز الأعلى، الهندسة غير الخطية الناتجة عن إنفعال فون كارمان غير الخطي، بالإضافة إلى تأثير الركود، وتأثيرات إنحدار درجة الحرارة. ويتبنى نموزج العارضة غير التقليدي المفترض بعض متغيرات مقياس طوال المواد الداخلية متعلقة بالتركيب الداخلي النانوي وهو قادر على تفسير تأثير الحجم الذي لايستطيع نموزج العارضة التقليدي المستمر على بيانه. المعادلات الحاكمة للحركة ذات الدرجة العليا تم إشتقاقها بإستخدام ما يسمى بمبدأ هاميلتون. تم تطوير نموزج تحليلي منخفص الدرجة (ROM) على اساس غالركين لوصف هيئة النمط (الوتيرة) غير الكلاسيكية وكذلك سلوكها السكوني (المتسقر) تحت تطبيق (تنفيذ) اي حمل تشغيل ذو تيار مباشر. تمت مقارنة نتائج التحليل السكوني مع تلك التي تم الحصول عليها من خلال نظرية استمرارية المرونة الكلاسيكية. ثم تم استخدام طريقة جاكوبي لتحديد التغير في الترددات الطبيعية للعارضة النانوية مع حمل التيار المباشر وكذلك مستوى الركود. وقد أجريت دراسة تفصيلية بارامترية لدراسة تأثيرات المعاملات (المتغيرات) المعتمدة على مقياس الحجم، نسبة طول أنابيب الكربون النانوية إلى نصف قطرها، مستوى الركود وانحدارات درجات الحرارة على خصائص الاهتزاز الحر لأنابيب الكربون النانوية. علاوة على ذلك، تم إجراء تحليل الإهتزاز القسري الخطي بإستخدام تكامل طويلة المدة لتقصي تأثير إنحدار الإنفعال في المنطقة الخطية. وُجد أن تأثير الحجم على أساس تشوه إنحدار الانفعال له تأثير كبير على استجابات الانحراف السكوني، وتشتت (تناثر) الترددات الطبيعية الاساسية لانابيب الكربون النانوية بالإضافة إلى السلوك الديناميكي للعارضة النانوية القائمة على انابيب الكربنون الناوية. أيضا، قد أظهر تغيير تأثير الحجم هذا عرض (تقديم) العديد من الاحتمالات من انماط الإنحراف ونقاط التقاطع ، وكلها أظهرت أنها تعتمد على عوامل انحدرا الإنفعال المتغيرة بالإضافة إلى مستوى ركود انابيب الكربون النانوية. بالإضافة إلى ذلك، مع الأخذ بعين الاعتبار التأثير المعتمد على مقياس الحجم يغيير المظهر غير الخطي لتحليل استجابة التردد. هذا البحث قد يسمح بفهم أفضل للسلوك غير الخطي للأنظم النانوية على اساس انابيب الكربون النانوية ويمكن أن يوجه مهندسين الأجهزة الكهروميكانيكية النانوية في مرحلة إعتبارات التصميم وفقا لذلك.

English Abstract

This thesis aims to investigate the nonlinear size dependent behavior of electrically carbon nanotubes (CNTs) based nanoelectromechanical systems (NEMS) while including higher-order strain gradient deformations, the geometric nonlinearity due to the von Karman nonlinear strain as well as the slack (initial curvature) and temperature gradient effects. The assumed non-classical beam model adopts some internal material length scale parameters related to the material nanostructures and is capable of interpreting the size effect that the classical continuum beam model is unable to pronounce. The higher-order governing equations of motion and boundary conditions are derived using the so-called Hamilton principle. A Galerkin modal based reduced-order model (ROM) expansion is developed to prescribe the non-classical nanotube mode shape as well as its static behavior under any applied DC actuation voltage. Results of the static analysis is compared with those obtained by the classical elasticity continuum theory. Then, a Jacobian method is utilized to determine the variation of the natural frequencies of the nanobeam with the DC load as well as the slack level. A detailed parametric study is conducted to study the influences of the size scale dependent parameters, the CNT length-to-radius ratio, the slack level and temperature gradients on the free vibration characteristics of the nanobeam. Moreover, a forced vibration analysis using long time integration is conducted to investigate the strain gradient effect mainly in the linear regime. It is found that the size effect based on the strain gradient deformation has significant influence on static deflection responses, the fundamental nanotube natural frequencies dispersion as well as the dynamical behavior of the CNT-based nanobeam. Also, varying this size effect have revealed the offering of numerous possibilities of modes veering and crossing, all shown to be dependent of the strain gradient parameters as well as the CNT slack level. In addition, taking into account the size scale dependent effect change the nonlinearity profile of the frequency response analysis. This research may allow better understanding of the nonlinear behavior of CNT-based nanosystem and can guide NEMS engineers in the design consideration stage, accordingly.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Ouakad, Hassen M.
Committee Members:	Sunar, Mehmet V. and Bazoune, Abdelaziz
Depositing User:	ISWAN PRADIPTYA (g201408440)
Date Deposited:	13 Jun 2017 08:58
Last Modified:	30 Dec 2020 11:59
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140388