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Advances in modeling and nonlinear dynamics of microbeam-based structures
No full textNegli ultimi anni l'interesse generale nei dispositivi micro-elettro-meccanici e nano-elettro-meccanici (MEMS e NEMS) è aumentato esponenzialmente, soprattutto grazie all'ampia gamma di applicazioni in molteplici ambiti oltre quello ingegneristico. Lo studio di questi dispositivi e' principalmente guidato da i) l'esigenza pratica di supportatare la fabbricazione dei dispositivi e lo sviluppo evolutivo degli stessi con una modellazione affidabile, ii) l'interesse di scienziati e ricercatori nelle problematiche teorico-matematiche associate a dispositivi di micro e nano-scala. Si e' cosi' aperta una nuova finestra di studio su questioni fondamentali della meccanica ed in particolare nella statica e nella dinamica non lineare. Questa tesi vuole introdurre una modellazione innovativa per quanto riguarda la descrizione del comportamento statico e dinamico di microtravi per dispositivi risonanti. Dopo aver risposto al requisito fondamentale di attendibilita' della modellazione proposta, ulteriore attenzione e' posta alla facilita' di implementazione e non ultimo all'efficienza computazionale. L'approccio proposto in questo lavoro si basa su un modello elastico non classico (strain-gradient elasticity theory) e tiene conto dell'effetto di stretching nonlineare della trave deformata, nonche' di un carico assiale applicato. Un'attuazione elettrica include aspetti di multifisica nel modello ed introduce un'ulteriore fonte di nonlinearita' nelle equazioni: accurate correzioni tengono conto degli effetti di bordo derivanti dal campo elettrico. Dal momento che il comportamento meccanico è strettamente correlato ai fenomeni dissipativi, per comprendere appieno l'effetto dell'accoppiamento termoelastico, la descrizione e' arricchita con le espressioni descrittive dei fenomeni termici, ottenendo cosi' un sistema accoppiato di equazioni differenziali alle derivate parziali. Il modello unificato proposto e' capace di descrivere il comportamento termo-elastico sia attraverso una formulazione classica che con due distinte teorie generalizzate. Le equazioni sono manipolate mediante un metodo di approssimazione spettrale e successive simulazioni numeriche. Diverse analisi vengono effettuate per valutare l'influenza della modellazione non classica nella risposta della trave
Improving the global analysis of mechanical systems via parallel computation of basins of attraction
No full textNumerical integrations represent a time-consuming element in the long-term dynamics analysis of mechanical systems. This limits the resolution of the computations and the dimension of the system to be investigated numerically. In fact, even pushing memory resources to their thresholds, only few tools can deal with higher-dimensional systems. This work illustrates, in a preliminary manner, the results that can be obtained reducing the aforementioned constraints thanks to the implementation of algorithms based on a parallel computing approach. In particular, by focusing on basins of attraction, four applications are discussed. i) The full domain of attraction for a four-dimensional (4D) system describing a linear oscillator coupled with a nonlinear absorber is calculated. ii) The variation of a safe basin with respect to the system dimension is then analyzed. It is highlighted how 4D and 3D analyses provide more confident results with respect to 2D analyses. iii) The parametric variation of a 2D system with a reduced step is performed by building a 3D representation which allows to highlight a smooth transition between the states. iv) A convergence study of a basin of attraction resolution is carried out. The integrity factor is used as a comparison measure.</p
Vibration frequency analysis of an electrically-actuated microbeam resonator accounting for thermoelastic coupling effects
No full textA comparison of different semi-analytical techniques to determine the nonlinear oscillations of a slender microbeam
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The Use of the Strain Gradient Elasticity Theory in the Electrically Actuated Microbeam Problem: An Investigation on the Static and the Dynamic Response
No full textThe Homotopy-Analysis Approach for the Dynamical Study of a Microbeam Modeled on the Basis of the Strain-Gradient Theory
No full textDynamical characteristics of an electrically actuated microbeam under the effects of squeeze-film and thermoelastic damping
No full textThe static and dynamic behavior of a MEMS subjected to thermoelastic and squeeze-film effects is investigated. We analyse the various engineering aspects which interact in a slender fixed–fixed microbeam; major attention is devoted to the modeling of such a multiphysics system, including the mechanical, electrical, thermoelastic and fluid-dynamic properties with their couplings. The static solution is obtained numerically by a finite-difference technique. The variation of the static deflection with respect to the voltage increment, in the presence of geometric nonlinearites, is studied first. Numerical results on the magnitude of thermoelastic damping (TED) and squeeze-film damping are obtained and examined with a parametric analysis. The effect of different relaxation times imposed on the TED, both in pull-in and non pull-in regime, is studied. The squeeze-film damping is modeled by means of the Reynolds equation and the large pressure regime is investigated. We then present a comparison between the different sources of damping, evaluating their relative contribution to the system
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