一种新型三维多方向敏感的非硅微机械惯性开关

基于非硅表面微加工技术,设计并制造一种新型三维多方向敏感的微惯性开关。选用弹簧-质量块-阻尼的典型碰撞结构,主要由可动电极悬臂梁弹簧—质量块系统、水平固定电极、垂直复合柔性固定电极三部分组成。利用ANSYS有限元软件对器件进行模态和动力学碰撞仿真分析,并对该微机械惯性开关进行落锤冲击试验,结果表明,在水平和竖直方向的阈值均为 50~60g,接触时间可稳定在40 s以上。     

基于非硅表面微加工的MEMS惯性开关设计与动力学仿真

基于非硅表面微加工技术,设计了一种新的MEMS微型惯性电学开关.较厚的质量块可动电极和位于其上方悬空的弹性梁固定电极,不但有利于提高开关器件的触发灵敏度和接触效果,而且可避免质量块和弹簧过多偏离对器件造成的损坏.对所设计开关进行了有限元动态接触仿真,结果表明开关在100g加速度作用下的响应时间和接触时间分别约为0.24ms和10μs,表现出较高的触发灵敏度和良好的接触效果,随加速度的增加惯性开关的响应时间减小,两电极的接触时间增加.     

制造误差影响齿轮副啮合的接触有限元分析方法

制造误差是影响齿轮副啮合的重要因素,研究其作用机理对齿轮的减振设计具有重要意义。首先基于几种典型制造误差的结构形式提出了一般的精确建模方法,以一对渐开线直齿轮为例,利用接触有限元分析方法对啮合过程进行仿真,发现理想齿轮副和含误差齿轮副啮合过程中的角速度、动态接触力特性表现出显著差异。然后进行单项误差影响齿轮振动的机理研究,分别以齿廓误差和齿距误差为对象,利用傅里叶变换量化分析了不同加工公差等级下的单项制造误差对齿轮副动态传递误差、角加速度特性的影响规律。研究表明:所提出的建模方法可以模拟任意形式的微小量级的制造误差,并体现在接触有限元分析中。不但能够用于精细化研究制造误差对齿轮副啮合过程的影响,还可以通过量化各项啮合特性分析单项误差影响齿轮振动的作用机理,并指导齿轮的减振设计和精度设计等。     

一种便携式高g值冲击试验装置的设计

为对惯性开关进行大于8 000 g的冲击检测,设计一种便携式冲击试验装置。根据弹性力学的赫兹理论,对该冲击试验装置进行了动力学分析,采用四阶龙格-库塔(Runge-Kutta)算法求解得到了结构参数与冲击特性的关系。采用Endevco2270标准传感器进行标定,标定结果满足设计要求,即该冲击试验装置可产生最大幅值约8 400 g,脉宽约110μs的冲击加速度信号,在同一高度测试的相对误差小于6%,具有良好的输出稳定性。该冲击试验装置体积小,质量轻,便于携带,维护简单,安全可靠,可用于小尺寸惯性器件冲击检测及抗冲击实验等。     

微机械惯性开关的非线性动力学特性分析与设计

利用倾斜支撑微梁结构大挠度后屈曲的非线性横向刚度，设计了一种新型屈曲式微机械加速度开关．该开关采用倾斜微梁支撑敏感质量块，两折叠梁固定于质量块的上下表面，保证开关动作的方向性．当外界加速度达到设定的阈值时，梁发生屈曲使开关迅速闭合，加速度低于截至门限值时，屈曲微梁弹性力使开关断开．开关设计中分析了气膜阻尼力和触点接触力对系统性能的影响，建立了多力耦合作用下加速度开关系统的动力学模型，并运用数值方法对含有椭圆积分的强非线性系统进行动态仿真分析，开关响应时间低于6 ms，实验表明开关具有良好的闽值特性和接触可靠性，充分证实了屈曲梁结构应用于惯性微感应器件设计的可行性．     

光纤Bragg光栅应变传感器在霍普金森压杆上的冲击试验研究

利用复合材料封装光纤Bragg光栅(FBG)设计制作了用于测量高速碰撞或爆炸与冲击作用下混凝土内部动态应变的FBG应变传感器。在霍普金森压杆上对FBG在封装前的裸光栅和封装后的FBG传感器分别进行了高速冲击试验,试验表明：设计的FBG传感器的瞬态响应上升时间小于20μs,具有良好的动态响应特性,可以用于工程中混凝土结构内高速冲击下的动态应变测试     

底座激振下检测微型叠层芯片共振频率

摘 要：为测试微悬臂芯片的动态特性,建立了以压电陶瓷为激振底座的测试系统。采用白噪声、稳态正弦和快速正弦（啁啾信号）扫频方式激励微叠层悬臂芯片,由多普勒测振仪测试芯片动态响应。通过分析压电陶瓷阻抗变化与芯片动态响应,获得的频率对应于压电陶瓷激振器所激励叠层芯片的一阶共振频率,这可作为微结构和器件的动态分析的测试方案。     

瓦斯爆炸冲击作用下新型复合结构防护外壳的动态响应

为了降低和防止瓦斯爆炸冲击波对矿难救生系统的破坏,提高防爆抗冲击能力,提出新型复合结构防护外壳。运用有限元数值分析方法,对新型复合结构防护外壳在瓦斯爆炸冲击波作用下的动态响应进行研讨。分析冲击波作用下新型防护外壳的变形、应力和应变,并与单层防护外壳的动态响应进行了对比。结果表明: 采用中间柔性材料缓冲层的新型复合防护结构,能够延缓瓦斯爆炸冲击波对矿难救生系统的冲击作用,保护系统内部模块不受严重破坏,制造工艺简单且成本低。运用数值分析的方法,可以为救生系统设计建立一个仿真的实验环境,为优化救生系统设计、提高设计效率提供参考数据。     

新型少齿差减速器动态特性分析及实验研究

摘 要 针对某新型少齿差行星减速器,进行了不同啮合位置时的多体接触有限元分析,求得轮齿时变啮合刚度,采用动力接触有限元法计算齿轮啮合冲击激励,得出包括时变刚度激励、误差激励、啮合冲击激励的齿轮啮合内部动态激励。建立减速器的有限元动力分析模型,在综合考虑内部激励和外部激励的情况下计算了减速器的时域和频域响应及加速度级1/3倍频程结构噪声。利用振动测试分析仪对新型少齿差内啮合减速器进行测试分析,并与有限元计算结果进行对比,二者较为吻合。     

冲击载荷下的齿轮动应力变化规律数值分析

基于虚拟制造方法建立了滚剃工艺的精确圆柱直齿轮三维几何模型,并进行线外啮合冲击动态仿真分析,得到了可靠的齿轮动应力变化规律。仿真结果表明：冲击加载时,不同工况下齿根两侧最大动应力的出现位置呈对称分布;冲击载荷下,齿根最大应力大于ISO标准静强度理论值,最大应力位置比ISO标准确定的最危险截面位置偏高;冲击载荷峰值相同时,冲击时间越短,产生的动应力越大。     

Development of a Novel MEMS Inertial Switch With a Compliant Stationary Electrode

A novel microelecromechnical system (MEMS) inertial switch based on the surface micromachining technology was developed, which mainly consists of a proof mass as the movable electrode and a compliant stationary electrode above the proof mass, whose deformation during the contact process would enhance the contact effect and prolong the switch-on time. Based on the original design which had already realized the enhancing effect to some extent, the device structure was redesigned as a centrosymmetric structure with the stationary electrode changed from two bridge-type beams to one cross beam in order to reduce the off-axis sensitivity. More importantly, a contact point was installed on top of the proof mass, changing the effective contact area of the stationary electrode from its end to the center, which undergoes the largest deformation. Therefore, the contact effect would be improved further, which has been confirmed by the ANSYS transient simulation. This simulation combined with the Simulink dynamic simulation described the device behavior, which were in agreement with the drop hammer tests. The threshold acceleration of the redesigned inertial microswitch was around 70 g, and the tested switch-on time reached 30 $mu {rm s}$, more satisfactory than the original design.      

冲击环境下电连接器接触性能研究

冲击应力是影响电连接器接触性能的主要环境因素之一。针对传统试验成本高、耗时长且难以实现某些高强度环境试验的局限性,采用仿真方法研究冲击环境下电连接器接触件接触性能参数变化规律。结合理论力学基本原理,通过ANSYS建立电连接器接触件实物模型、动力学模块模拟冲击试验,分析了试验严酷等级、冲击脉冲持续时间及峰值加速度对接触件的形变、应力和接触压力等参数的影响,并对接触压力仿真结果进行试验验证。结果表明：冲击试验过程中,接触件形变受冲击影响最大;接触性能参数随严酷等级的增加,先缓慢增大后快速增大;随脉冲持续时间的增加,先急剧下降后缓慢减小;而在峰值加速度变化时基本保持稳定。由此可知,严酷等级和脉冲持续时间对电连接器接触性能参数变化起主导作用,仿真结果可为产品设计提供一定的理论参考。     

水银微流体惯性开关的研制

针对传统微机械“固一固”型触点开关存在信号跳变、触点磨损等缺点,研制了一种利用水银液滴在变矩形截面微通道中流动来实现通断的微流体惯性开关．结合解析分析和数值仿真确定了影响开关阈值的微阀门宽度、微通道深度、侧壁扩张角等关键结构参数,并将田口稳健设计方法用于参数的优化设计,利用响应面法和信噪比（SNR）优化得到了微阀门宽度、微通道深度、侧壁扩张角分别为175μm、245μm和8°;采用阳极键合和反应离子深刻蚀（DRIE）制作了硅微通道,利用溅射沉积方式沉积了约100nm厚的铬电极,并对开关样机进行了离心测试．实验测试结果表明,开关的闭合阈值为9．536g,与目标值9．8g的偏差为2．7％．     

基于接触应力优化的摆线轮修形设计

对摆线轮进行合理的修形能够极大改善RV（rotary vector,旋转矢量）减速器的传动性能和承载能力。为了进一步优化“反弓”齿廓的接触应力,在综合分析组合修形对反弓齿廓啮合力和接触应力的影响的基础上,提出了一种两段修形方法。该方法是将摆线轮齿廓分成2段,并根据需要对不同工作段的齿廓采用不同的修形量,以更灵活地设计摆线轮的齿廓。以RV-40E减速器为例,先利用MATLAB软件建立摆线轮受力分析模型,并按照两段修形方法确定新齿廓的修形量和方程;再利用ANSYS软件建立摆线轮与针齿接触的有限元模型,并对比新齿廓与反弓齿廓的接触应力。理论计算结果显示,新齿廓的最大接触应力降低了8.34%;有限元仿真结果显示,新齿廓的最大接触应力降低了4.39%,并分析了可能的误差来源。研究表明,两段修形方法可以改善摆线轮齿廓的接触应力和延长摆线轮的使用寿命,这为摆线轮的修形设计提供了一定的参考。     

变工况下滚动轴承保持架碰撞接触动力学特性分析

滚动轴承保持架在运动过程中始终会与滚动体产生碰撞,尤其在变工况条件下更易表现出复杂的动态接触特性,对轴承使用性能和寿命产生重要影响。该研究以深沟球轴承6309为研究对象,考虑滚动体与内外圈、保持架之间动态接触关系,建立了滚动轴承耦合动力学模型,分别讨论了匀、加、减速及不同转速波动工况下滚动体与保持架间碰撞力幅值、次数及分布情况等接触特性变化。研究结果表明：变速工况下滚动体与保持架间碰撞次数增多;加速工况下滚动体与保持架兜孔前端碰撞力幅值明显小于后端碰撞力幅值,且承载区内滚动体主要与兜孔前端发生频繁碰撞,非承载内则主要与后端发生碰撞,减速工况则相反;相较于稳定工况,转速波动工况下滚动体与保持架间碰撞作用力要大得多,碰撞程度从小到大依次为三角波动工况、简谐波动工况、矩形波动工况。该研究结果可为保持架的设计和失效分析提供理论依据。     

基于多尺度下塑性指数模型的结合面接触刚度计算方法EI北大核心CSCD

螺栓连接结合面的接触特性是影响机械系统动静态特性的关键。当结合面处于振动疲劳状态时,会导致阻尼增大和共振频率减小,因此建立精确的栓接结合面接触模型对研究整个机床的动态特性有着十分重要的意义。结合Greenwood和Williamson给出的塑性指数表达式、统计学的粗糙度参数和分形参数,建立了与微凸体频率序数相关的塑性指数模型,从而根据塑性指数得到微凸体弹性-弹塑性-塑性变形的临界频率序数,并基于赫兹接触理论,通过对不同频率区间内微凸体的积分得到整个结合面的接触载荷和接触刚度。最后,通过有限元仿真与试验相结合共同验证了理论模型的正确性,证明该理论模型具有较强的工程应用价值。     

The effect of contact load reduction on the fatigue life of pearlitic rail steel in lubricated rolling–sliding contact

Twin-disc contact simulation tests were carried out to investigate the influence of contact pressure variation on rail steel fatigue life. Both a colloidal suspension of molybdenum disulphide in an oil carrier fluid (similar to a commercial flange lubrication product) and water were used as lubricants. It was found that the reduction from 1500 to 900 MPa of the maximum Hertzian contact pressure (at which a molybdenum–disulphide-lubricated and previously worn rail sample was tested) extended the fatigue life of the rail steel by over five times. For water lubrication a similar reduction in contact pressure produced only a marginal increase in fatigue life. The results were found to be in qualitative agreement with the predictions of the newly developed Three Mechanism (TM) model of rolling contact fatigue, which is introduced here. This model combines the mechanisms of ratcheting and the fracture mechanics-based mechanisms of both shear stress- and tensile stress-driven, fluid-assisted, crack growth.     

Improvement of a frictional contact algorithm for strongly curved contact problems

One of the challenges in contact problems is the prediction of the actual contact surface and the kind of contact that is established in each region. In numerical simulation of deep drawing problems the contact conditions change continuously during the forming process, increasing the importance of a correct evaluation of these parameters at each load step. In this work a new contact search algorithm devoted to contact between a deformable and a rigid body is presented. The rigid body is modelled by parametric Bézier surfaces, whereas the deformable body is discretized with finite elements. The numerical schemes followed rely on a frictional contact algorithm that operates directly on the parametric Bézier surfaces. The algorithm is implemented in the deep drawing implicit finite element code DD3IMP. This code uses a mechanical model that takes into account the large elastoplastic strains and rotations. The Coulomb classical law models the frictional contact problem, which is treated with an augmented Lagrangian approach. A fully implicit algorithm of Newton–Raphson type is used to solve within a single iterative loop the non‐linearities related with the frictional contact problem and the elastoplastic behaviour of the deformable body. The numerical simulations presented demonstrate the performance of the contact search algorithm in an example with complex tools geometry. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.