Phát triển và tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ cho thiết bị thử nghiệm nanoindentation

Khám phá cách phát triển và tối ưu hóa bộ định vị sử dụng cơ cấu mềm cho thiết bị kiểm tra độ cứng vật liệu hiệu quả và chính xác.

• Tác giả: Đặng Minh Phụng
• Người hướng dẫn: Assoc. Lê Hiếu Giang
• Trường học: Hcm City University Of Technology And Education
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ cho thiết bị thử nghiệm nanoindentation
• Loại tài liệu: Ph. Thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hcm City

Tóm tắt

I. Tổng quan về tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ trong nanoindentation

Tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ cho thiết bị thử nghiệm nanoindentation là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật cơ khí. Giai đoạn này đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo độ chính xác và hiệu suất của thiết bị. Việc phát triển và tối ưu hóa các giai đoạn này không chỉ giúp nâng cao chất lượng thử nghiệm mà còn giảm thiểu sai số trong quá trình đo lường. Nghiên cứu này sẽ trình bày các phương pháp tối ưu hóa hiện có và ứng dụng của chúng trong thực tiễn.

1.1. Tầm quan trọng của giai đoạn định vị trong nanoindentation

Giai đoạn định vị trong nanoindentation ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả thử nghiệm. Việc tối ưu hóa giai đoạn này giúp cải thiện khả năng định vị và giảm thiểu sai số trong quá trình thử nghiệm.

1.2. Các công nghệ hiện có trong nanoindentation

Công nghệ nanoindentation hiện nay sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để tối ưu hóa giai đoạn định vị. Các công nghệ này bao gồm các cơ chế tuân thủ và các thuật toán tối ưu hóa phức tạp.

II. Vấn đề và thách thức trong tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong công nghệ nanoindentation, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ. Các vấn đề như độ chính xác, độ bền và khả năng chịu tải của các cơ chế định vị cần được giải quyết. Việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của giai đoạn định vị là rất cần thiết để tìm ra giải pháp tối ưu.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác trong nanoindentation

Độ chính xác trong nanoindentation bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như thiết kế cơ khí, vật liệu sử dụng và quy trình thử nghiệm. Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp cải thiện hiệu suất của thiết bị.

2.2. Thách thức trong việc phát triển cơ chế định vị mới

Phát triển các cơ chế định vị mới đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Các thách thức bao gồm việc tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo tính khả thi trong sản xuất.

III. Phương pháp tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ cho nanoindentation

Để tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ, nhiều phương pháp đã được phát triển. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng các thuật toán tối ưu hóa như Taguchi, RSM và các phương pháp học máy. Việc áp dụng các phương pháp này giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của thiết bị thử nghiệm.

3.1. Phương pháp Taguchi trong tối ưu hóa thiết kế

Phương pháp Taguchi giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của giai đoạn định vị. Bằng cách sử dụng các thiết kế thí nghiệm, phương pháp này cho phép tối ưu hóa các thông số kỹ thuật một cách hiệu quả.

3.2. Ứng dụng của RSM trong tối ưu hóa giai đoạn định vị

Phương pháp RSM (Response Surface Methodology) được sử dụng để phân tích mối quan hệ giữa các biến và tối ưu hóa các thông số thiết kế. Phương pháp này giúp tìm ra các giá trị tối ưu cho các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn trong nanoindentation

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ có thể cải thiện đáng kể độ chính xác và hiệu suất của thiết bị thử nghiệm nanoindentation. Các kết quả thu được từ các thí nghiệm cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong các thông số kỹ thuật của thiết bị.

4.1. Kết quả từ các thí nghiệm thực nghiệm

Các thí nghiệm thực nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp tối ưu hóa đã giúp giảm thiểu sai số trong quá trình thử nghiệm. Kết quả này chứng minh tính khả thi của các phương pháp đã được đề xuất.

4.2. Ứng dụng trong ngành công nghiệp

Các kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất vật liệu đến nghiên cứu khoa học. Việc tối ưu hóa giai đoạn định vị sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và quy trình sản xuất.

V. Kết luận và triển vọng tương lai trong nghiên cứu nanoindentation

Kết luận từ nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ là rất cần thiết để nâng cao hiệu suất của thiết bị thử nghiệm nanoindentation. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiến bộ mới trong công nghệ và ứng dụng thực tiễn.

5.1. Tóm tắt các phát hiện chính

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa giai đoạn định vị có thể cải thiện đáng kể độ chính xác và hiệu suất của thiết bị. Các phương pháp tối ưu hóa hiện có đã được áp dụng thành công.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới và cải tiến các phương pháp tối ưu hóa hiện có. Điều này sẽ giúp nâng cao hơn nữa hiệu suất của thiết bị thử nghiệm nanoindentation.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 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 i 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 - 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 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 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 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 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 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 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 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. Previous compliant positioning stages.

Serial diagram design. Parallel diagram structure. Serial-parallel diagram design. Displacement amplification mechanisms .