بررسی جامع هیدرومکانیکی و ارتعاشات آزاد میکروکانتیلورهای چندلایه آلومینیوم/آگزتیک–گرافن/PZT‑5H در محیط‌های سیالی، مطالعه ای بر پایه نظریه تیر تیموشنکو و روش GDQ

نوع مقاله : مقاله علمی

نویسندگان
1 گروه مهندسی هوافضا، دانشکده تحصیلات تکمیلی، دانشگاه علوم و فنون هوایی شهیدستاری، تهران، ایران
2 استادیار، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه علوم و فنون هوایی شهید ستاری، تهران، ایران
3 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
چکیده
میکروکانتیلورهای پیزوالکتریک از عناصر تبدیل انرژی مهم در سامانه‌های میکروالکترومکانیکی برای کاربردهایی مانند حسگرهای زیستی، برداشت انرژی و آشکارسازی آکوستیکی زیرآبی هستند. در این پژوهش، رفتار ارتعاشی یک میکروکانتیلور مرکب سه‌لایه با ابعاد 6×125×500 میکرومتر شامل لایه پیزوالکتریک PZT‑5H، هسته آگزتیک تقویت‌شده با گرافن با ضریب پواسون منفی، و لایه پایه آلومینیومی بررسی شده است. تحلیل ارتعاش آزاد با استفاده از تئوری تیر تیموشنکو و روش مربعات تفاضلی تعمیم‌یافته انجام شده و اثر اندرکنش سیال_سازه از طریق مدل جرم افزوده و میرایی ویسکوز لحاظ گردیده است. نتایج تحلیلی با شبیه‌سازی سه‌بعدی در نرم‌افزار COMSOL Multiphysics اعتبارسنجی شده و برای هفت مود نخست خطایی کمتر از 0.74 درصد نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد استفاده از هسته آگزتیک–گرافن با νa = −0.30 موجب افزایش 1.85 درصدی فرکانس مود اول و بهبود 34 درصدی سختی برشی نسبت به هسته‌های متداول می‌شود، در حالی که نسبت فرکانس در آب به هوا تقریباً ثابت و برابر 0.910 باقی می‌ماند. تحلیل انرژی مودال نشان می‌دهد لایه PZT حدود 52.8 درصد انرژی خمشی را جذب می‌کند و نزدیک به 90 درصد اتلاف ویسکوز در 2.6 درصد انتهایی طول تیر رخ می‌دهد. همچنین تحلیل حساسیت نشان می‌دهد قرارگیری میکروکانتیلور نزدیک سطح آزاد باعث افزایش حدود 0.6 تا 1.5 درصدی فرکانس و نزدیکی به کف صلب موجب کاهش حدود 1 تا 3 درصدی آن می‌شود که این اثر با افزایش چگالی و ویسکوزیته سیال تشدید می‌گردد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Comprehensive Hydromechanical and Free Vibration Investigation of Aluminum/Axetic-Graphene/PZT-5H Multilayer Microcantilevers in Fluid Media, a Study Based on Timoshenko Beam Theory and GDQ Method

نویسندگان English

mohammad Khakbaz 1
Masoud Javadi 2
Alireza Ebrahimi Hesari 3
Reza Sarkhosh 2
1 Department of Aerospace Engineering, Faculty of Graduate Studies, Shahid Satari University of Aeronautical Sciences and Technology, Tehran, Iran
2 Assistant Professor, Department of Aerospace Engineering, Shahid Sattari University of Aeronautical Sciences and Technology, Tehran, Iran
3 Department of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Piezoelectric microcantilevers are important energy conversion elements in microelectromechanical systems for applications such as biosensors, energy harvesting, and underwater acoustic detection. In this study, the vibration behavior of a three-layer composite microcantilever with dimensions of 6 × 125 × 500 μm, consisting of a PZT-5H piezoelectric layer, a graphene-reinforced acoustic core with negative Poisson's ratio, and an aluminum base layer, is investigated. Free vibration analysis is performed using Timoshenko beam theory and the generalized difference-of-squares method, and the effect of fluid-structure interaction is considered through an added mass model and viscous damping. The analytical results are validated by 3D simulation in COMSOL Multiphysics software and show an error of less than 0.74% for the first seven modes. The results show that the use of an austenitic-graphene core with νa = −0.30 results in a 1.85% increase in the first mode frequency and a 34% improvement in shear stiffness compared to conventional cores, while the frequency ratio in water to air remains almost constant at 0.910. Modal energy analysis shows that the PZT layer absorbs about 52.8% of the bending energy and nearly 90% of the viscous dissipation occurs in the last 2.6% of the beam length. Also, sensitivity analysis shows that placing the microcantilever close to the free surface increases the frequency by about 0.6 to 1.5%, and proximity to the rigid bottom reduces it by about 1 to 3%, and this effect is intensified by increasing the density and viscosity of the fluid.

کلیدواژه‌ها English

Aluminum/Auxetic-Graphene/Piezoelectric Multilayer Microcantilever Beam
Microelectromechanical Systems
Free Vibrations
GDQ Method
Viscous Damping

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 06 مهر 1405

  • تاریخ دریافت 18 خرداد 1405
  • تاریخ بازنگری 14 شهریور 1405
  • تاریخ پذیرش 06 مهر 1405
  • تاریخ اولین انتشار 06 مهر 1405
  • تاریخ انتشار 06 مهر 1405