Phát triển bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm cho thiết bị kiểm tra độ cứng vật liệu

• Tác giả: Đăng Minh Phụng
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Hiếu Giang
• Trường học: Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Phát triển và tối ưu hóa các bộ định vị mềm được ứng dụng cho thiết bị kiểm tra độ cứng nano
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• ORIGINALITY STATEMENT
• ACKNOWLEDGMENTS
• ABSTRACT
• CONTENTS
• 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
• 2.3. Serial diagram design
• 2.4. Parallel diagram structure
• 2.5. Serial-parallel diagram design
• 2.6. Displacement amplification mechanisms
• 2.7. Modeling methods of compliant mechanisms
• 2.7.1. Pseudo-rigid-body model method
• 2.7.2. Lagrange-based Methods
• 2.7.3. Approximation-based modeling method
• 2.8. Analysis of variance
• 2.9. Wilcoxon and Friedman
• 2.10. 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. Formation for calculating S/N ratios and experiment design
• 3.7. Establishment of fuzzy model
• 3.8. Establishment for regression equation
• 3.9. 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
• 4.2. Flexure-based positioner
• 4.3. Beetle-liked platform with amplification mechanism
• 4.4. A fundamental use for a nanoindentation testing device
• 4.5. Primary characteristic and parasitic motion error analysis
• 4.6. Suggested optimal methodology
• 4.7. Problem statement for optimization
• 4.8. Offered hybrid methodology
• 4.9. Results and discussion
• 4.10. Gathering of numeric data
• 4.11. Weight factor quantification
• 4.12. Formulation of ANFIS model
• 4.13. Experiment and verifications
• 4.14. Development and optimization of a new compliant Z-stage based on serial-parallel structure
• 4.15. Formulation of optimal problem
• 4.16. Results and discussion
• 4.17. Evaluation of initial features and parasitic motion error
• 4.18. Orthogonal array experiment and mathematical model
• 4.19. Calculation of weight factor
• 4.20. Optimal results and verifcations
• 4.21. Structural dynamic modelling of a new compliant 01-DOF stage utilizing symmetric six levers based on the PRBM method and Lagrange principle
• 4.22. Analytical structure modelling based on PRBM method and Lagrange's principle
• 4.23. Verification of established analytical models
• 4.24. Parameter optimization of 1-DOF positioner
• 4.25. 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
• 5.2. Hybrid displacement amplifier
• 5.3. Compliant XY micro-positioning stage
• 5.4. Formulation of optimal problem
• 5.5. Results and discussion
• 5.6. Orthogonal array experiment and mathematical model
• 5.7. Parameter optimization using an integrated approach of TM, RSM and NSGA-II
• 5.8. Comparison with previous study
• 5.9. Development and optimization of a compliant 02-DOF positioner
• 5.10. Design scheme of 1-DOF mechanism
• 5.11. Operation scheme of 2-DOF stage
• 5.12. Modeling and dimensional optimization synthesis
• 5.13. Neural network algorithm
• 5.14. Results and discussion
• 5.15. Kinetostatics and dynamics modeling
• 5.16. Evaluation and verifications of mathematical models
• 5.17. Optimal issue description
• 5.18. Verification and comparisons
• 5.19. Development and optimization of a compliant rotary stage
• 5.20. Hybrid displacement amplifier
• 5.21. Compliant rotary positioner
• 5.22. Results and discussion
• 5.23. Collection of data
• 5.24. Optimal results and statistical analysis
• 6. CHAPTER 6: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• List of Abbreviations

I. Giới thiệu về Kiểm tra Độ cứng Vật liệu và Bộ Định vị Mềm

Kiểm tra độ cứng vật liệu là một phương pháp quan trọng để đánh giá tính chất cơ học của vật liệu. Bộ định vị mềm, với ưu điểm về độ chính xác và độ nhạy cao, ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị kiểm tra độ cứng, đặc biệt là ở cấp độ nano. Bài báo này tập trung phân tích và đánh giá một nghiên cứu về "Tối ưu hóa bộ định vị mềm cho kiểm tra độ cứng vật liệu".

1.1. Khái niệm về Độ cứng Vật liệu và Vai trò của nó

Độ cứng vật liệu là khả năng chống lại biến dạng vĩnh viễn của vật liệu khi chịu tác dụng của một lực bên ngoài. Đây là một thông số quan trọng trong lựa chọn vật liệu cho các ứng dụng kỹ thuật khác nhau. Việc kiểm tra độ cứng vật liệu giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm, dự đoán khả năng chịu lực và độ bền của vật liệu.

1.2. Bộ Định vị Mềm và Ứng dụng trong Kiểm tra Độ cứng

Bộ định vị mềm là một loại cơ cấu cơ khí sử dụng biến dạng đàn hồi của vật liệu để tạo ra chuyển động. Ưu điểm của bộ định vị mềm là độ chính xác cao, độ nhạy tốt, ma sát thấp và không cần bôi trơn. Trong kiểm tra độ cứng, bộ định vị mềm được sử dụng để định vị chính xác đầu đo lên bề mặt vật liệu, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của kết quả đo.

II. Phân tích Nghiên cứu về Tối ưu hóa Bộ Định vị Mềm

Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển và tối ưu hóa bộ định vị mềm cho thiết bị kiểm tra độ cứng nanoindentation. Mục tiêu là nâng cao độ chính xác đo lường, giảm thiểu sai số đo và mở rộng khả năng ứng dụng của thiết bị.

2.1. Mục tiêu và Phương pháp Nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng và phân tích hoạt động của bộ định vị mềm. Các thuật toán tối ưu hóa được sử dụng để tìm kiếm bộ thông số thiết kế tối ưu cho bộ định vị, nhằm đạt được các chỉ tiêu hiệu suất mong muốn.

2.2. Kết quả và Đánh giá Hiệu quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy bộ định vị mềm được tối ưu hóa có độ chính xác và độ nhạy được cải thiện đáng kể. Sai số đo được giảm thiểu, cho phép thực hiện các phép đo độ cứng với độ tin cậy cao hơn.

III. Ứng dụng Thực tiễn và Giá trị của Nghiên cứu

Nghiên cứu này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng trong lĩnh vực kiểm tra độ cứng vật liệu.

3.1. Đóng góp cho Lĩnh vực Kiểm tra Độ cứng

Nghiên cứu cung cấp giải pháp tối ưu hóa bộ định vị mềm cho thiết bị kiểm tra độ cứng, góp phần nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của các phép đo độ cứng.

3.2. Tiềm năng Ứng dụng trong Thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:

• Khoa học vật liệu: Nghiên cứu và phát triển vật liệu mới.
• Công nghiệp chế tạo: Kiểm tra chất lượng sản phẩm, đánh giá độ bền vật liệu.
• Y sinh: Phân tích tính chất cơ học của mô và tế bào.