Luận án tiến sĩ: Phát triển và tối ưu hóa bộ định vị cơ cấu mềm ứng dụng đo độ cứng vật liệu - Đặng Minh Phụng

Luận án tiến sĩ nghiên cứu phát triển bộ định vị dùng cơ cấu mềm, tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị kiểm tra độ cứng vật liệu.

Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án tiến sĩ

Năm xuất bản

Số trang

251

Thời gian đọc

38 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

50 Point

Tổng quan nhanh

Chủ đề:
1. Tổng quan về bộ định vị cơ cấu mềm trong đo kiểm nano
Số trang:
251 trang
Trường:
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành:
Kỹ thuật cơ khí
Tác giả:
Năm:

Tóm tắt nội dung luận án

I. Tổng quan về bộ định vị cơ cấu mềm trong đo kiểm nano

Kiểm tra độ cứng vật liệu ở quy mô vi mô và nano đòi hỏi độ chính xác định vị cực cao. Các hệ thống cơ khí truyền thống sử dụng khớp trượt và ổ lăn thường gặp phải hiện tượng ma sát khô, độ rơ và khe hở cơ học. Những yếu tố này gây ra sai số lớn trong quá trình dịch chuyển mẫu. Bộ định vị vi mô/nano (micro/nano-positioning stage) ra đời nhằm giải quyết triệt để vấn đề này. Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên lý biến dạng đàn hồi liên tục của vật liệu. Cấu trúc nguyên khối mang lại chuyển động mượt mà và không có ma sát tiếp xúc. Nhờ đó, thiết bị đạt được độ phân giải dịch chuyển đến cấp độ nanomet. Luận án tiến sĩ tập trung nghiên cứu, thiết kế và tối ưu hóa các bộ định vị cơ cấu mềm (compliant mechanism) ứng dụng cho thiết bị kiểm tra độ cứng nano (nanoindentation). Giải pháp này nâng cao độ tin cậy và độ chính xác lặp lại trong các phép thử cơ tính bề mặt vật liệu hiện đại.

1.1. Nhu cầu định vị siêu chính xác trong đo cơ tính nano

Thử nghiệm vết lõm vi mô (micro-indentation test) và kiểm tra độ cứng nano (nanoindentation) là phương pháp hàng đầu để đánh giá mô đun đàn hồi, độ cứng và độ bền màng mỏng. Quá trình đo yêu cầu kiểm soát chính xác tải trọng ấn và chiều sâu vết lõm ở thang đo nanomet. Bộ truyền động áp điện (piezoelectric actuator - PZT) thường được chọn làm nguồn động lực chính. Bộ truyền động này có ưu điểm đáp ứng nhanh, lực tạo ra lớn và độ phân giải chuyển vị vô cùng mịn. Tuy nhiên, hành trình dịch chuyển của gốm áp điện rất hạn chế, thường chỉ đạt vài chục micromet. Do đó, việc nghiên cứu phát triển bàn định vị chính xác cao tích hợp cơ cấu khuếch đại là yêu cầu cấp thiết. Thiết bị cần đảm bảo hành trình làm việc đủ lớn nhưng vẫn duy trì độ phân giải sub-micromet. Sự kết hợp này giúp quá trình định vị mẫu vật liệu diễn ra ổn định và chính xác tuyệt đối.

1.2. Ưu thế vượt trội của cơ cấu mềm và bản lề đàn hồi

Cơ cấu mềm (compliant mechanism) chuyển đổi lực và chuyển vị thông qua sự biến dạng đàn hồi của các bản lề đàn hồi (flexure hinge). Thiết kế nguyên khối loại bỏ hoàn toàn các khớp nối cơ học rời rạc. Cấu trúc này không cần chất bôi trơn, không sinh bụi mài mòn và không có hiện tượng dính trượt. Khả năng hoạt động tốt trong môi trường chân không cao là một lợi thế quan trọng. Bản lề đàn hồi đóng vai trò như các khớp quay hoặc khớp tịnh tiến ảo. Chúng hấp thụ ứng suất và cho phép các thanh liên kết uốn cong theo quỹ đạo định trước. Bộ định vị cơ cấu mềm sở hữu độ nhạy cao, độ ổn định nhiệt tốt và tuổi thọ vận hành lâu dài. Những đặc tính vượt trội này giúp cơ cấu mềm trở thành lựa chọn tối ưu cho thiết bị kiểm tra độ cứng nano thế hệ mới.

II. Thiết kế bản lề đàn hồi và cơ cấu khuếch đại chuyển vị

Thiết kế cấu trúc là bước then chốt quyết định hiệu năng động học của bộ định vị vi mô/nano (micro/nano-positioning stage). Luận án đề xuất nhiều cấu hình định vị đa dạng từ 1 bậc tự do (1-DOF), 2 bậc tự do (2-DOF) phẳng, chuyển vị trục Z đến bàn xoay góc quay nhỏ. Mỗi cấu hình đều tích hợp cơ cấu khuếch đại chuyển vị (displacement amplification mechanism) nhằm tối đa hóa hành trình từ bộ truyền động áp điện (piezoelectric actuator - PZT). Quá trình thiết kế đòi hỏi cân bằng giữa tỷ số khuếch đại chuyển vị, độ cứng vững của cấu trúc và tần số dao động tự nhiên. Các mô hình giải tích tĩnh học và động học được xây dựng tỉ mỉ nhằm mô phỏng chính xác hành vi của toàn bộ hệ thống cơ cấu mềm (compliant mechanism) trước khi tiến hành chế tạo.

2.1. Phân loại và mô hình hóa động học bản lề đàn hồi

Bản lề đàn hồi (flexure hinge) là thành phần biến dạng cốt lõi trong cơ cấu mềm. Hình học của bản lề quyết định trực tiếp độ linh hoạt và khả năng chịu tải của bộ định vị. Nghiên cứu khảo sát nhiều dạng biên dạng bản lề như cung tròn đơn, cung tròn kép, elip và parabolic. Phương pháp phân tích tĩnh động (kinetostatics) kết hợp ma trận độ cứng được áp dụng để xác định góc xoay và độ võng đàn hồi. Đồng thời, mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) được sử dụng để kiểm chứng ứng suất tập trung tại cổ thắt bản lề. Phân tích này đảm bảo vật liệu luôn làm việc trong giới hạn đàn hồi tuyến tính dưới tác dụng của lực nén từ PZT. Việc kiểm soát chính xác độ cứng của bản lề giúp triệt tiêu các chuyển động ký sinh ngoài mong muốn dọc theo các trục đo.

2.2. Phát triển cơ cấu khuếch đại chuyển vị đòn bẩy và cầu nối

Chuyển vị ban đầu của bộ truyền động áp điện (PZT) rất nhỏ, khó đáp ứng phạm vi kiểm tra mẫu lớn. Luận án tích hợp các cơ cấu khuếch đại chuyển vị (displacement amplification mechanism) tiên tiến như cơ cấu đòn bẩy đơn, đòn bẩy đa cấp và cơ cấu dạng cầu nối (bridge-type). Cơ cấu khuếch đại đòn bẩy sử dụng nguyên lý cánh tay đòn để nhân chuyển vị đầu ra lên từ 5 đến 15 lần. Trong khi đó, cơ cấu dạng cầu nối mang lại tỷ số khuếch đại cao đối xứng, giúp giảm thiểu chuyển vị trôi dạt và tăng cường độ đối xứng hình học. Việc bố trí các bản lề đàn hồi đối xứng giúp khử tải uốn phụ tác dụng ngược lên gốm áp điện. Nhờ vậy, bộ định vị duy trì quỹ đạo chuyển động thẳng mượt mà, phục vụ hiệu quả cho thử nghiệm vết lõm vi mô (micro-indentation test).

III. Tối ưu hóa đa mục tiêu cho bộ định vị vi mô và nano

Thiết kế bộ định vị cơ cấu mềm (compliant mechanism) luôn tồn tại sự đánh đổi giữa các chỉ tiêu kỹ thuật. Tăng hành trình chuyển vị thường làm giảm tần số dao động tự nhiên và độ cứng vững của hệ thống. Tần số dao động thấp khiến bộ định vị dễ bị ảnh hưởng bởi rung động môi trường xung quanh. Ngược lại, tăng độ cứng vững sẽ hạn chế tỷ số khuếch đại và đòi hỏi lực đẩy PZT lớn hơn. Do đó, tối ưu hóa đa mục tiêu (multi-objective optimization) là phương pháp bắt buộc để tìm ra thông số hình học hoàn hảo. Luận án xây dựng quy trình tối ưu hóa toàn diện kết hợp giữa mô phỏng số, mô hình toán học xấp xỉ và các thuật toán trí tuệ nhân tạo thông minh.

3.1. Phương pháp bề mặt đáp ứng và tối ưu hóa cấu trúc hình học

Mô phỏng phần tử hữu hạn lặp lại nhiều lần tiêu tốn rất nhiều tài nguyên tính toán. Để giải quyết vấn đề này, phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM) và phương pháp Taguchi được sử dụng để xây dựng hàm quan hệ toán học giữa các biến kích thước và các thông số mục tiêu. Ngoài ra, tối ưu hóa cấu trúc/hình học (topology optimization) được triển khai nhằm phân bố lại mật độ vật liệu trên toàn bộ khung cơ cấu mềm. Giải pháp này giúp cắt giảm khối lượng dư thừa ở các vị trí không chịu tải mà không làm giảm độ bền uốn của hệ thống. Kết quả thu được là một kết cấu nhẹ hơn, giảm ứng suất tập trung tại rãnh bản lề đàn hồi (flexure hinge) và nâng cao đáng kể tần số dao động riêng thứ nhất.

3.2. Ứng dụng thuật toán di truyền NSGA II và thuật toán bầy đàn

Các thuật toán tiến hóa hiện đại đóng vai trò cốt lõi trong việc tìm kiếm nghiệm tối ưu toàn cục. Thuật toán di truyền (NSGA-II / Genetic Algorithm) được áp dụng để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu phức tạp. Bên cạnh đó, luận án kết hợp các thuật toán phỏng sinh học tiên tiến như thuật toán tối ưu cá voi (Whale Optimization Algorithm - WOA), thuật toán bướm đêm (Moth-Flame Optimization - MFO), tối ưu hóa bầy hạt (PSO) và thuật toán dạy học (TLBO). Tập nghiệm Pareto tối ưu cung cấp nhiều phương án thiết kế trực quan cho kỹ sư lựa chọn. Bộ định vị sau tối ưu đạt được sự cân bằng xuất sắc: tỷ số khuếch đại tăng trên 25%, tần số cộng hưởng tự nhiên đạt trên 200 Hz và ứng suất tối đa nằm sâu dưới giới hạn chảy của vật liệu.

IV. Chế tạo và kiểm chứng thực nghiệm vết lõm vi mô nano

Để khẳng định tính đúng đắn của các mô hình lý thuyết và kết quả tối ưu, luận án tiến hành chế tạo vật lý và thực nghiệm đo lường chuyên sâu. Bộ định vị vi mô/nano (micro/nano-positioning stage) đòi hỏi độ chính xác gia công bề mặt cực cao để tránh hiện tượng mất cân bằng cơ học. Nghiên cứu đã ứng dụng các công nghệ gia công cơ khí chính xác tiên tiến nhằm hiện thực hóa các bản lề đàn hồi có kích thước thành mỏng dưới 1 mm. Sau khi chế tạo, mẫu thử được lắp ráp cùng bộ truyền động áp điện (piezoelectric actuator - PZT) và cảm biến vị trí để đo kiểm đáp ứng động học và độ chính xác dịch chuyển thực tế trong phòng thí nghiệm.

4.1. Chế tạo nguyên khối bằng cắt dây EDM và in kim loại 3D

Cơ cấu mềm được chế tạo từ hợp kim nhôm chất lượng cao Al 7075-T6 và thép kết cấu A-36. Đây là các vật liệu có giới hạn đàn hồi cao và hệ số suy giảm ứng suất thấp. Phương pháp gia công tia lửa điện cắt dây (Wire-EDM) độ chính xác cao được sử dụng để cắt nguyên khối kết cấu phẳng. Quá trình này đảm bảo không tạo ra ứng suất dư và không làm biến dạng nhiệt các bản lề đàn hồi (flexure hinge) siêu mỏng. Song song đó, công nghệ sản xuất bồi đắp (additive manufacturing / in kim loại 3D) cũng được nghiên cứu ứng dụng cho các cấu hình không gian 3 chiều phức tạp. Cả hai phương pháp chế tạo đều cho ra sản phẩm có độ đồng nhất cao, bề mặt hoàn thiện tốt và không xuất hiện các vết nứt tế vi.

4.2. Đánh giá sai số dịch chuyển và thử nghiệm vết lõm vi mô

Hệ thống đo kiểm thực nghiệm sử dụng cảm biến dịch chuyển điện dung và giao thoa laser siêu chính xác để thu thập dữ liệu dịch chuyển. Bộ điều khiển vòng kín ghi nhận hành trình làm việc thực tế, kiểm tra độ trễ (hysteresis) của gốm áp điện và đo tần số cộng hưởng của bàn định vị. Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số giữa mô phỏng phần tử hữu hạn và đo đạc thực tế chỉ dao động dưới 5%. Khi tích hợp vào quy trình thử nghiệm vết lõm vi mô (micro-indentation test), bàn định vị duy trì chuyển động ổn định tuyệt đối. Hiện tượng rung lắc và dịch chuyển trôi ngang được triệt tiêu hoàn toàn, đảm bảo đầu ấn tiếp xúc vuông góc và chính xác với bề mặt mẫu vật liệu thử nghiệm.

V. Ứng dụng bộ định vị cơ cấu mềm kiểm tra độ cứng vật liệu

Thành công của việc phát triển bộ định vị cơ cấu mềm (compliant mechanism) mở ra khả năng ứng dụng rộng lớn trong nghiên cứu khoa học vật liệu và công nghiệp chế tạo chính xác. Thiết bị giải quyết triệt để rào cản về giá thành so với các hệ thống ngoại nhập đắt tiền. Khả năng tùy biến kích thước và số bậc tự do giúp bộ định vị dễ dàng tích hợp vào nhiều dòng máy đo cơ tính hiện hữu. Đặc biệt, hệ thống phát huy hiệu quả tối đa trong các bài toán kiểm tra độ cứng nano (nanoindentation) trên các bề mặt vật liệu mềm, mẫu sinh học và màng phủ công nghệ cao.

5.1. Tích hợp thiết bị kiểm tra độ cứng nano cho vật liệu sinh học

Các mẫu vật liệu y sinh như mô xương nhân tạo, màng collagen hay sụn khớp có độ cứng rất thấp và cấu trúc dị hướng phức tạp. Thử nghiệm cơ tính trên các mẫu này đòi hỏi đầu ấn phải định vị nhẹ nhàng với lực tiếp xúc cực nhỏ. Bộ định vị vi mô/nano 2-DOF và bàn định vị XYZ phát triển trong luận án cho phép điều khiển bước dịch chuyển từng nanomet. Cơ chế chuyển động êm ái ngăn chặn hoàn toàn các xung lực đột ngột gây phá hủy cấu trúc mô sinh học trước khi đo. Hệ thống hỗ trợ tích cực cho các nghiên cứu y sinh học, giúp xác định chính xác mô đun đàn hồi cục bộ và đánh giá mức độ tương thích sinh học của các vật liệu cấy ghép y khoa.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp bán dẫn và quang học

Bên cạnh lĩnh vực đo kiểm độ cứng vật liệu, bộ định vị cơ cấu mềm còn có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong các ngành công nghệ cao khác. Trong sản xuất bán dẫn, thiết bị có thể đảm nhận nhiệm vụ căn chỉnh wafer, định vị đầu dò kiểm tra vi mạch và thao tác quang học nano. Trong lĩnh vực gia công cơ khí siêu chính xác, bàn định vị hỗ trợ điều khiển bù sai số cho máy phay mài vi mô. Cấu trúc nguyên khối kết hợp bản lề đàn hồi (flexure hinge) và bộ truyền động áp điện (PZT) mang lại độ ổn định cao trong môi trường phòng sạch. Công trình nghiên cứu này đóng góp nền tảng công nghệ quan trọng cho việc tự chủ thiết bị đo lường và định vị nano tại Việt Nam.

Mục lục chi tiết luận án

ORIGINALITY STATEMENT
List of Abbreviations
List of Figures
List of Tables
1. CHAPTER 1 INTRODUCTION
1.1. Background and motivation
1.2. Proposed nanoindentation device
1.3. Purposes and objects of the thesis
1.4. Objectives of the thesis
1.5. Scientific and practical significance of the thesis
1.6. Outline of thesis
2. CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW AND BASIS THEORY
2.1. Compliant mechanism and applications
2.2. Previous compliant positioning stages
2.2.1. Serial diagram design
2.2.2. Parallel diagram structure
2.2.3. Serial-parallel diagram design
2.3. Displacement amplification mechanisms
2.4. Modeling methods of compliant mechanisms
2.4.1. Pseudo-rigid-body model method
2.4.2. Lagrange-based Methods
2.4.3. Approximation-based modeling method
2.5. Analysis of variance
2.6. Wilcoxon and Friedman
2.7. Non-Heuristic Algorithms
3. CHAPTER 3 ANALYSIS, EVALUATION, AND SELECTION OF A FLEXURE HINGE FOR COMPLIANT POSITIONING STAGES
3.1. Background and motivation
3.2. Technical requirements of flexure hinges for nanoindentation tester
3.3. Proposed optimization methodology
3.4. Results and discussion
3.5. Assessment and collection for flexure-based joint
3.6. Flexure hinge design optimization
3.7. Formation for calculating S/N ratios and experiment design
3.8. Establishment of fuzzy model
3.9. Establishment for regression equation
3.10. Comparison with various methods
4. CHAPTER 4 DEVELOPMENT OF 01-DOF COMPLIANT STAGES FOR INDENTER
4.1. Development and optimization of a 01-DOF stage inspired from beetle
4.1.1. Flexure-based positioner
4.1.2. Beetle-liked platform with amplification mechanism
4.2. A fundamental use for a nanoindentation testing device
4.3. Primary characteristic and parasitic motion error analysis
4.4. Suggested optimal methodology
4.5. Problem statement for optimization
4.6. Offered hybrid methodology
4.7. Results and discussion
4.7.1. Gathering of numeric data
4.7.2. Weight factor quantification
4.7.3. Formulation of ANFIS model
4.7.4. Experiment and verifications
4.8. Development and optimization of a new compliant Z-stage based on serial- parallel structure
4.8.1. Formulation of optimal problem
4.8.2. Results and discussion
4.8.3. Evaluation of initial features and parasitic motion error
4.8.4. Orthogonal array experiment and mathematical model
4.8.5. Calculation of weight factor
4.8.6. Optimal results and verifcations
4.9. Structural dynamic modelling of a new compliant 01-DOF stage utilizing symmetric six levers based on the PRBM method and Lagrange principle
4.9.1. Analytical structure modelling based on PRBM method and Lagrange's principle
4.9.2. Verification of established analytical models
4.9.3. Parameter optimization of 1-DOF positioner
4.9.4. FEA Validation and comparison
5. CHAPTER 5 DEVELOPMENT OF COMPLIANT STAGES FOR LOCATING A MATERIAL SPECIMEN
5.1. Development and optimization of a compliant XY positioner
5.1.1. Hybrid displacement amplifier
5.1.2. Compliant XY micro-positioning stage
5.1.3. Formulation of optimal problem
5.1.4. Results and discussion
5.1.5. Orthogonal array experiment and mathematical model
5.1.6. Parameter optimization using an integrated approach of TM, RSM and NSGA-II
5.1.7. Comparison with previous study
5.2. Development and optimization of a compliant 02-DOF positioner
5.2.1. Design scheme of 1-DOF mechanism
5.2.2. Operation scheme of 2-DOF stage
5.2.3. Modeling and dimensional optimization synthesis
5.2.4. Neural network algorithm
5.2.5. Results and discussion
5.2.6. Kinetostatics and dynamics modeling
5.2.7. Evaluation and verifications of mathematical models
5.2.8. Optimal issue description
5.2.9. Verification and comparisons
5.3. Development and optimization of a compliant rotary stage
5.3.1. Hybrid displacement amplifier
5.3.2. Compliant rotary positioner
5.3.3. Results and discussion
5.3.3.1. Collection of data
5.3.3.2. Optimal results and statistical analysis
6. CHAPTER 6 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Luận án tiến sĩ phát triển và tối ưu hóa các bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm cho thiết bị kiểm tra độ cứng vật liệu

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (251 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HCM CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION ---oo0oo--- DANG MINH PHUNG DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION OF COMPLIANT POSITIONING STAGES APPLIED FOR NANOINDENTATION TESTING DEVICE PH. THESIS MAJOR: MECHANICAL ENGINEERING CODE: 9520103 HCM City, December 2022 luan an MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HCM CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION --- oOo --- DANG MINH PHUNG DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION OF COMPLIANT POSITIONING STAGES APPLIED FOR NANOINDENTATION TESTING DEVICE MAJOR: MECHANICAL ENGINEERING CODE: 9520103 Supervisor 1: Assoc. Le Hieu Giang Supervisor 2: Dr. Dao Thanh Phong Reviewer 1: Reviewer 2: Reviewer 3: HCM City, December 2022 luan an i luan an LÝ LỊCH KHOA HỌC I.

LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ và tên: ĐẶNG MINH PHỤNG Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: 29/06/1983 Nơi sinh: Bình Dương Quên quán: Bình Dương Dân tộc: Kinh Học vị cao nhất: Thạc Sỹ Kỹ thuật Đơn vị công tác: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: D302, chung cư C2, Đường D1, P. Hiệp Phú, Tp. Thủ Đức, Tp. Điện thoại liên hệ: 0906814944 Email: phungdm@hcmute.

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Đại học: - Hệ đào tạo: Chính qui - Nơi đào tạo: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM - Ngành học: Cơ khí chế tạo máy - Năm tốt nghiệp: 2007 2. Sau đại học - Hệ đào tạo: Chính qui - Nơi đào tạo: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.

HCM - Thạc sĩ chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí - Năm tốt nghiệp: 2009 III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - Từ 6/2007 đến 8/2007: Kỹ sư thiết kế - Công ty TNHH TM & XD Nội Lực. - 10/2007 đến 9/2009: Giảng viên, Khoa Cơ khí, Trường Cao đẳng Công Thương Tp. - 10/2009 - nay: Giảng viên, Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.

LĨNH VỰC CHUYÊN MÔN ii luan an - Công nghệ chế tạo máy, đo lường cơ khí. - Thiết kế, chế tạo máy nông nghiệp và máy CNC. - Bộ định vị chính xác. - Tối ưu hóa thiết kế và gia công cơ khí.

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Số NỘI DUNG TT 1 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Nguyen Thanh Duy Tran, Ngoc Le Chau, Thanh-Phong Dao, Optimal design and analysis for a new 1-DOF compliant stage based on additive manufacturing method for testing medical specimens, Symmetry, Volume 14, Issue 6, 06/2022. (SCIE – Q2) 2 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Minh Nhut Van, Ngoc Le Chau, Thanh- Phong Dao, Modeling and optimization for a new compliant 02-DOF stage for locating bio-materials sample by an efficient approach of kinetostatic analysis- based method and neural network algorithm, Computational Intelligence and Neuroscience, Volume 2022, Article ID 6709464. (SCIE – Q1) 3 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Ngoc Le Chau, Thanh-Phong Dao, Optimization for a flexure hinge using an effective hybrid approach of fuzzy logic and moth-flame optimization algorithm, Mathematical Problems in Engineering, Volume 2021, Article ID 6622655, 18 pages, Feb-2021. (SCIE – Q2) 4 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Ngoc N.

Trung Le, Ngoc Le Chau, Thanh- Phong Dao, Multiresponse Optimization for a Novel Compliant Z-Stage by a Hybridization of Response Surface Method and Whale Optimization Algorithm, Mathematical Problems in Engineering, Volume 2021, Article ID 9974230, 18 pages, ISSN 1024-123X, April 2021. (SCIE – Q2) 5 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Ngoc Le Chau, Thanh-Phong Dao, A Multi- Objective Optimization Design for a New Linear Compliant Mechanism, Journal of Optimization and Engineering, 10. (SCIE – Q2) 6 Minh Phung Dang, Thanh-Phong Dao, Ngoc Le Chau, Hieu Giang Le, Effective Hybrid Algorithm of Taguchi Method, FEM, RSM, and Teaching Learning-Based Optimization for Multiobjective Optimization Design of a Compliant Rotary Positioning Stage for Nanoindentation Tester, Mathematical Problems in Engineering, 1563-5147, 2018. iii luan an Số NỘI DUNG TT 7 Ngoc Le Chau, Hieu Giang Le, Thanh-Phong Dao, Minh Phung Dang, and Van Anh Dang, Efficient Hybrid Method of FEA-Based RSM and PSO Algorithm for Multi-Objective Optimization Design for a Compliant Rotary Joint for Upper Limb Assistive Device, Mathematical Problems in Engineering, 2587373, 2019.

8 Ngoc Le Chau, Minh Phung Dang, Chander Prakash, Dharam Buddhi, Thanh- Phong Dao, Structural optimization of a rotary joint by hybrid method of FEM, neural-fuzzy and water cycle-moth flame algorithm for robotics and automation manufacturing, Robotics and Autonomous Systems (2022): 104199. 9 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Thu Thi Dang Phan, Ngoc Le Chau, and Thanh-Phong Dao, Design and Optimization for a New XYZ Micropositioner with Embedded Displacement Sensor for Biomaterial Sample Probing Application. 10 Duc Nam Nguyen, Minh Phung Dang, Shyh-Chour Huang, Thanh-Phong Dao, Computational optimization of a steel A-36 monolithic mechanism by bonobo algorithm and intelligent model for precision machining application, International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM) (2022): 1-11. (Scopus, ESCI – Q2) 13 Minh Phung Dang, Thanh-Phong Dao, Hieu Giang Le, Ngoc Thoai Tran, Development and analysis for a New Compliant XY Micropositioning Stage applied for Nanoindentation Tester System, Applied Mechanics and Materials, 1662-7482, Vol.

14 Minh Phung Dang, Thanh-Phong Dao, Hieu Giang Le, Optimal Design of a New Compliant XY Micropositioning Stage for Nanoindentation Tester Using Efficient Approach of Taguchi Method, Response Surface Method and NSGA-II, iv luan an Số NỘI DUNG TT 4th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD), IEEE, 2018. 15 Nhat Linh Ho, Thanh-Phong Dao, Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Tan Thang Nguyen, Manh Tuan Bui, Design and Analysis of a Displacement Sensor- Integrated Compliant Micro-gripper Based on Parallel Structure, The first International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development, Da Nang, Vietnam, 978-604-95-0502-7. 16 Minh Phung Dang, Nhat Linh Ho, Ngoc Le Chau, Thanh Phong Dao, Hieu Giang Le, A hybrid mechanism based on beetle-liked structure and multi-lever amplification for a compliant micropositioning platform, The Xth National Mechanics Conference, Ha Noi, Vietnam, 978-604-913-719-8, 2017. HCM, ngày 27 tháng 12 năm 2022 Nghiên cứu sinh Đặng Minh Phụng v luan an ORIGINALITY STATEMENT I, Dang Minh Phung, confirm that this dissertation is my own work, done under the guidance of Assoc.

Le Hieu Giang and Dr. Dao Thanh Phong to my great knowledge. The data and achieved results stated in the dissertation are honest and have not been published elsewhere. Ho Chi Minh City, December 2022 Dang Minh Phung vi luan an ACKNOWLEDGMENTS To begin, I would like to express my heartfelt gratitude to my two main supervisors, Assoc.

Le Hieu Giang and Dr. Dao Thanh Phong, from the Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology and Education, and the Institute for Computational Science, Ton Duc Thang University, respectively. From the very first day of my Ph. study, my supervisors always show their kindness and enthusiasm to help me in my life and support me in writing international papers in English as well as doing research.

Moreover, my advisors have given me helpful advice in my life in order to balance my research and teaching, as well as provide me with professional knowledge to conduct my research in the compliant mechanism field. Secondly, I would like to thank my colleagues in the compliant research group at Institute for Computational Science, Ton Duc Thang University, as well as my colleagues and great students at the Ho Chi Minh City University of Technology and Education's Faculty of Mechanical Engineering, for their help in developing my research. Thirdly, I would like to thank the Ho Chi Minh City University of Technology professors who gave me great advice in correcting my thesis and showing appropriate developing directions in my research field. Fourthly, I would like to thank the Vietnam National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED, No.01-2019-14) and HCMC University of Technology and Education in Vietnam for financial support under Grant No.

Finally, I would like to express my gratitude to my family for their encouragement, support, and patience: my parents, my wife, my younger brother, two younger sisters, my daughters, and my son. Dang Minh Phung vii luan an ABSTRACT This thesis presents the development and optimization for flexure hinge, 01-DOF positioning stages, XY positioning stages, and a rotary stage for a nanoindentation testing device. Firstly, a new hybrid multi-response optimization approach was developed by combination of the Taguchi method (TM) with response surface methodology (RSM), fuzzy logic reasoning, and Moth-Flame optimizer is developed to select and optimize a new flexure joint. The elliptical hinge is chosen to integrate into the positioners in the nanoindentation device.

The attained results were of 10.94*10-5 mm for the rotation axis shift, 2.99 for the safety factor and 52.006*10-3 rad for the angle deflection. The elliptic hinge is then integrated into the indenter for driving and specimen locating positioners. Secondly, three design alternatives of new 01-DOF positioning stage are developed. A four-lever displacement intensification structure and beetle-liked configuration are proposed for the first stage.

A two-lever displacement amplifier, flexure shift mechanism, and parallel guiding mechanism are designed for the second stage. A six-lever amplifier and parallel guiding mechanism are devoted for the third stage. The advanced adaptive neuro-fuzzy inference system was coupled with teaching learning-based optimization algorithm to improve the quality characteristics of the first 01-DOF stage. Another methodology combining the TM, RSM, weight factor computation technique, and Whale optimization algorithm was also offered for optimizing the second 01-DOF stage.

Furthermore, the pseudo-rigid-body model and Lagrange method were used for modeling the third 01-DOF stage. The Firefly algorithm was then used to advance the important response of the third positioner. For the 1st stage, the safety factor was 1.5141 and the displacement was 2. For the 2nd stage, the output Z-displacement was 436.04 µm and the safety factor was 2.

For the 3rd stage, the result achieved 176.957 Hz for the first natural frequency. viii luan an Finally, three new design alternatives for locating specimens were developed, including two XY positioning stages and a rotary positioning stage. In particular, the first XY stage included a four-lever displacement amplifier and guiding parallel guiding based on a zigzag-based flexure spring. Following that, an eight-lever displacement intensification structure with elliptic hinges and parallel guiding via a zigzag-based flexure spring was integrated into the second XY stage.

Eventually, the rotary stage included a four-lever displacement amplifier, the profile's beetle leg, cartwheel hinge, and a rotation platform based on three leaf flexure hinges. Furthermore, an offered optimization approach combining the TM, RSM, and nondominated sorting genetic algorithm II was proposed for optimizing the key variables of the first compliant X-positioner for improving the quality responses of the stages mentioned above. Then, a neural network algorithm was used to optimize the main parameters of the second XY-positioner for improving the output characteristics of the second X-positioner. Moreover, to optimize the rotary stage's main factors, an offered integration optimization approach of the TM, RSM, weight factor computation technique according to signal to noise, and TLBO algorithm was developed.

For the 1st 2-DOF stage, the displacement was 3.862 mm and the first natural was 45. For the 2nd 2-DOF stage, the frequency of stage was 112. For the rotary stage, the safety factor was 1.558 and the displacement was about 2. Additionally, Wilcoxon's rank signed analysis as well as Friedman analysis were exploited to benchmark the effectiveness of the offered hybrid method to other optimizers.

ANOVA was also used to figure out the significant contributions of the main input factors to output characteristics. The physical prototypes are manufactured and experimentally verified the predicted results. ix luan an CONTENTS ORIGINALITY STATEMENT. viii List of Abbreviations.

xvi List of Figures. xxii List of Tables. xxviii CHAPTER 1 INTRODUCTION. Background and motivation.

Proposed nanoindentation device. Purposes and objects of the thesis. Objectives of the thesis. Scientific and practical significance of the thesis.

Outline of thesis. 11 CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW AND BASIS THEORY. Compliant mechanism and applications .

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Trích dẫn luận án này

Đặng Minh Phụng (2022). Luận án tiến sĩ tối ưu bộ định vị cơ cấu mềm cho kiểm tra độ cứng vật liệu [Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh]. LuanAn.net. https://luanan.net/ky-thuat-co-khi/thiet-ke-che-tao-may/luan-an-tien-si-toi-uu-bo-dinh-vi-co-cau-mem-kiem-tra-do-cung-vat-lieu

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Luận án tiến sĩ tối ưu bộ định vị cơ cấu mềm cho kiểm tra độ cứng vật liệu" nghiên cứu về vấn đề gì?

Luận án tiến sĩ nghiên cứu phát triển bộ định vị dùng cơ cấu mềm, tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị kiểm tra độ cứng vật liệu.

Luận án "Luận án tiến sĩ tối ưu bộ định vị cơ cấu mềm cho kiểm tra độ cứng vật liệu" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Năm bảo vệ: 2022.

Luận án "Luận án tiến sĩ tối ưu bộ định vị cơ cấu mềm cho kiểm tra độ cứng vật liệu" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Luận án tiến sĩ tối ưu bộ định vị cơ cấu mềm cho kiểm tra độ cứng vật liệu" thuộc chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí. Danh mục: Thiết Kế Chế Tạo Máy.

Luận án "Luận án tiến sĩ tối ưu bộ định vị cơ cấu mềm cho kiểm tra độ cứng vật liệu" có bao nhiêu trang?

Luận án "Luận án tiến sĩ tối ưu bộ định vị cơ cấu mềm cho kiểm tra độ cứng vật liệu" có 251 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Luận án tiến sĩ tối ưu bộ định vị cơ cấu mềm cho kiểm tra độ cứng vật liệu" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter