رویکرد ترکیبی FEM–ANN برای تحلیل و تشخیص چندجرمی در نانورزونانسورهای گرافنی

پذیرفته شده برای ارائه شفاهی
کد مقاله : 1101-ISAV2025 (R1)
نویسندگان
دانشگاه صنعتی همدان
چکیده
سختی مکانیکی قابل‌توجه، چگالی بسیار پایین و نسبت سطح به جرم بالای گرافن موجب می‌شود این ماده نسبت به تغییرات جرمی بسیار کوچک، حتی در مقیاس زپتوگرم، واکنش‌پذیری بالایی داشته باشد. هرچند بیشتر مطالعات پیشین بر جذب تک‌ذره‌ای متمرکز بوده‌اند، اما در شرایط واقعی معمولاً چندین ذره به‌صورت تصادفی روی سطح گرافن پخش می‌شوند که رفتارهای ارتعاشی غیرخطی و پیچیده‌ای ایجاد می‌کند. در این پژوهش، یک چارچوب ترکیبی FEM–ANN توسعه داده شده است که شبیه‌سازی‌های دقیق اجزای محدود را با شبکه عصبی یادگیری عمیق تلفیق می‌کند تا پاسخ ارتعاشی ورق‌های گرافنی تحت بارگذاری چندجرمی را تحلیل نماید. داده‌های حاصل از شبیه‌سازی‌ها، شامل تغییرات در نسبت ابعادی، ابعاد ورق، تعداد و نحوه توزیع ذرات، برای آموزش و ارزیابی شبکه مورد استفاده قرار گرفتند. مدل آموزش‌دیده توانست تغییرات غیرخطی فرکانس طبیعی را با دقت بالا و هزینه محاسباتی بسیار کمتر نسبت به حل‌های عددی کامل پیش‌بینی کند. این رویکرد ترکیبی ابزار مؤثری برای تشخیص سریع و پایدار چندجرمی در نانورزونانسورهای گرافنی فراهم می‌کند و می‌تواند در زیست‌حسگری و پایش محیطی کاربرد داشته باشد.
کلیدواژه ها
 
Title
Hybrid FEM–ANN Framework for Multi‑Mass Detection on Graphene Nanoresonators
Authors
mobina mohammadi, javad PayandehPeyman
Abstract
Graphene’s remarkable stiffness, extremely low density, and large surface-to-mass ratio make it highly responsive to minute mass variations, even down to the zeptogram scale. Although most prior studies have concentrated on single-particle adsorption, practical scenarios often involve multiple particles randomly distributed on the surface, leading to complex nonlinear vibration behaviors. In this work, a hybrid FEM–ANN framework is developed that integrates high-fidelity finite element simulations with a deep-learning neural network to analyze the vibrational response of graphene sheets under multi-mass loading. The dataset generated from simulations—incorporating variations in aspect ratio, sheet dimensions, number of particles, and their random distribution—is used to train and validate the neural network. The trained model accurately predicts nonlinear frequency shifts with substantially reduced computational cost compared to full numerical simulations. This hybrid approach provides a reliable and efficient tool for rapid multi-mass detection in graphene nano resonators, with potential applications in biosensing and environmental monitoring.
Keywords
graphene, frequency response, Finite Element Modeling, mass sensing