Simulation studies on various mechanical systems using finite element method

Abstract

In this thesis, we studied the mechanical properties of various structure such as micro, macro, and bio systems using COMSOL Multiphysics which is a simulation tool based on finite element method (FEM). First, in the case of microsystem, we analyzed mechanical properties of porous graphene resonator. At room temperature, graphene mechanical device is known to have low Q-factor so we make pores on the graphene membrane to increase the resonant frequency by reducing air resistance and mass. By adjusting the position, number, and size of the pores, we calculated numerically Young's modulus, resonance frequency, and Q-factor and tried to find the most optimized porous membrane design. The size and number of pores have a great influence on the breaking carbon bond, which causes a change in membrane stiffness. In addition, as the position of the pore is farther from the center of the membrane that receives the most air resistance, the influence of the pore on the mechanical properties of the membrane decreases. Considering this correlation and based on the simulation results, we found an appropriate porosity and geometry, which gave the highest resonant frequency and Q-factor. In the macrosystem, we simulated the oscillating mode of a vertically suspended structure from an object reciprocating horizontally by COMSOL Multiphysics. Through this simulation, the behavior of clothing in a clothing manager is determined to investigate the functions such as removing dust and wrinkle improvement. We studied how changes the oscillating motion by varying the magnitude of the applying force, the material and shape of the sample while applying driving force in horizontal direction to the vertically suspended object. Three materials (linen, silk, and cotton) are used. The simulation is performed when the materials is different in the same applying force and when the applying force was different in the same material. We determined the behavior of waves considering the air resistance and tension acting on each sample and calculated the position and distance of the nodes for each condition. Through this, we attempted to broaden our understanding of the mechanical motion that can be easily seen around us and expand the applicability to the product. Finally, in the bio system, we studied the hair cell in the cochlea, which plays a key role in humans' perception of sound. The reason why we can recognize small sounds in noise is because of the negative stiffness which is the peculiar mechanical properties of the hair cells [1]. The mechanical behavior of hair cells was simulated using a cantilever structure PVC rod. The structure with negative stiffness has double potential well so Hopf-bifurcation occurs due to this bistability [2, 3]. We identified bifurcation by making a metastable PVC rod and applied vibration to the rod in order to check if the amplitude increases at a specific frequency. Through this, the selectivity and amplification of hair cells were confirmed and we suggested the direction to impove the sensitivity of the auditory system.;본 논문에서는 유한요소법(FEM) 기반의 시뮬레이션 프로그램인 COMSOL Multiphysics를 이용하여 마이크로, 매크로, 바이오 시스템 등 다양한 구조의 역학적 특성을 연구하였다. 먼저 마이크로 시스템의 경우 다공성 그래핀 공진기의 역학적 특성을 분석했다. 상온에서 Q인자가 낮은 것으로 알려져 있는 그래핀 공진기에 구멍을 만들어 공기 저항과 질량을 줄여 공진 주파수를 높이고자 하였다. 기공의 위치, 개수 및 크기를 조정하여 영률, 공진 주파수 및 Q인자를 수치적으로 계산하고 가장 최적화된 다공성 멤브레인 디자인을 찾고자 하였다. 구멍의 크기와 개수는 탄소 결합이 깨지는 것에 큰 영향을 미치며, 이는 박막의 강성을 변화시킨다. 또한, 구멍의 위치가 공기 저항을 가장 많이 받는 박막의 중심에서 멀어 질수록 박막의 역학적 특성에 대한 구멍의 영향이 감소한다. 이 상관 관계를 고려하여 시뮬레이션 결과를 기반으로, 우리는 가장 높은 공진 주파수와 Q인자를 제공하는 적절한 다공성과 형상을 찾았다. 매크로 시스템에서 COMSOL Multiphysics를 이용하여 수직으로 매달린 구조체가 수평으로 왕복운동을 하였을 때 진동 모드를 분석하였다. 이 시뮬레이션을 통해 의류관리기와 같은 제품의 먼지 제거, 주름 개선 등의 기능을 향상시키는데 기여하고자 하였다. 우리는 수직으로 매달린 물체에 수평 방향으로 구동력을 적용하면서 적용 힘의 크기, 샘플의 재료 및 모양을 변경하여 진동 운동을 어떻게 변화시키는 지 확인하고자 하였으며 크게 재료를 린넨, 실크, 면으로 나누어 시뮬레이션을 진행하였다. 각 샘플에 작용하는 공기 저항과 장력을 고려하여 파동의 모습을 확인하고 각 조건의 노드의 위치와 거리를 계산하였다. 이를 통해 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 수직으로 매달린 물체의 기계적 운동에 대한 이해를 넓히고 제품 적용 성을 확대하고자 하였다. 마지막으로 바이오 시스템에서 인간의 소리 지각에 중요한 역할을 하는 달팽이관의 유모 세포를 모사하는 시뮬레이션을 진행하였다. 소음이 있는 환경에서도 작은 소리를 인식할 수 있는 이유는 유모 세포의 독특한 기계적 특성 인 음의 강성 때문이다 [1]. 캔틸레버 구조를 가진 PVC 막대를 사용하여 유모 세포의 기계적 거동은 모사하는 시뮬레이션을 구현하였다. 음의 강성을 가진 구조체는 bistability[2, 3]로 인하여 호프분기가 발생하므로 준안정 PVC 막대를 만들고 진동을 가하여 특정 주파수에서 진폭이 증가하는지 확인함으로써 호프 분기의 존재를 보았다. 이를 통해 유모 세포의 선택성과 증폭을 확인하고 청각계의 민감성을 실현할 방향을 제시하였다.