基于自由度缩减方法构造MEMS器件宏模型

器件宏模型是MEMS系统级仿真的关键.着重介绍了各种基于对器件结构经空间离散后得到的系统矩阵进行变换来构造低维近似系统矩阵的模型自由度缩减(MOR)方法,论述了各种提取线性系统宏模型方法的优缺点,接着阐述了非线性系统模型自由度缩减方法的研究现状,并对MEMS宏模型的研究发展方向提出了一些建议.     

基于异构宏模型的MEMS系统级建模方法

针对含复杂结构的MEMS器件,提出基于异构宏模型的系统级建模方法,即将基于解析法和基于数值计算的宏建模方法结合起来提取复杂器件的参数化宏模型,在此基础上实现MEMS系统级仿真。以z轴加速度计为例,在Saber中进行其系统级的时域、频域仿真,将仿真结果与有限元分析进行了比较,其仿真时间小于3min,相对误差小于3%,表明该方法能够快速有效地实现复杂结构MEMS器件的系统级仿真。     

微结构的大转角非线性动态行为的宏建模方法

针对微结构的大转角非线性动态行为,提出采用欧拉参数法对用传统欧拉角度法描述的微结构动力学方程进行线性化,以避免MEMS器件的系统级仿真不收敛和提高仿真速度.以大转角扭转微镜为例验证了方法的有效性.用硬件描述语言Mast编程建立了组件模型,使用组件模型构建了系统级模型并进行了仿真分析.分析表明,两种方法的仿真精度与有限元方法比较相差都在2%以内;与欧拉角度法比较,使用欧拉参数法仿真速度快3倍以上;说明使用欧拉参数法能够在不显著损失精度的前提下更加有效地描述微结构的大转角非线性动态行为.     

基于多粒度宏建模的MEMS非标结构设计方法

随着微电子机械系统(Micro electro mechanical systems,MEMS)应用的广泛化与需求的多样化,现有由参数化单元库内的结构组合的设计方法已难以满足非标设计需求.为此,给出一种支持非标结构设计的多粒度宏模型的映射提取与等效近似方法.在多粒度宏建模的MEMS设计层次和流程中,通过MEMS器件的完备有限元模型的节点关联与组合,映射提取描述系统的整体矩阵,获得系统的基于低阶常微分方程组的精确模型.按列一维方式变带宽存储大型稀疏对称矩阵,由拉格朗日多项式拟合和广义极小剩余获取等效近似模型,建立非标结构的系统级保真输入输出关系,连接器件级模型和系统级模型,不断迭代实现产品设计.以ACIS为几何造型内核开发自主原型系统,以数字光处理微镜为例进行验证,结果表明,该方法将局限于单元库内简单器件的设计拓展到支持复杂奇异非标结构的设计,这对于提高MEMS设计质量和效率具有重要意义.     

静电致动硅膜板的宏模型建立方法

器件宏模型技术是MEMS系统设计和系统级仿真的关键技术。为了建立静电致动硅膜板的宏模型,在模态有限元分析的基础上,利用多维非线性函数拟合方法,将由数值计算得到的板的动能、弹性能和电容写成以模态广义坐标表示的解析式。导出双模态坐标下的静电微板的动力学特性方程,即宏模型。利用该宏模型研究了器件的静态、动态特性,并与有限元计算结果比较。表明,用模态坐标表达的动态宏模型能够考虑残余应力、大变形、静电力等非线性因素的影响,大大地减少了计算费用,而且具有足够的仿真精度。     

MEMS器件建模与仿真分析方法研究

基于主振型叠加法和拉格朗日动力学方程,建立微机电系统多场耦合分析的宏模型。这一模型是由常微分方程组成的有限自由度系统,自由度较少,系统状态方程简单,显著地减少计算时间,为micro-electro-mechanical systems（MEMS）设计提供一种有效而准确的分析工具。算例表明,文中所提方法用于MEMS器件建模仿真分析是有效的。     

基于等效电路法的微加速度计系统建模研究

讨论一类硅微闭环电容式加速度计系统级动态模型的建模过程与方法.MEMS（micro-electro-mechanical system）快速有效的系统级模拟依赖于准确简洁的器件宏模型的建立.文中首先针对一种基本机电换能器件进行研究,利用二元函数的Taylor公式,建立器件偏置点附近增量信号间的线性关系,进而建立可用等效电路形式描述的器件宏模型.以此为基础,分别探讨传感器中检测和加力两类差动电容模型的建立方法及其与外部环境的联接,得到可利用电路模拟软件进行分析的系统级等效电路.通过仿真实例验证模型的正确性,并简要讨论系统的主要动态特性.这些工作为进一步的系统仿真和全局优化提供可靠的模型基础.     

MEMS节点化建模及其在集成微系统设计中的应用

为实现MEMS产品的快速设计和性能验证,在借鉴其结构化设计思想即节点分析法的基础上,提出了一种与常规信号流类比不同,适于集成微机电系统快速仿真的等效电路建模思路和方法。首先,对系统及MEMS器件进行功能及结构分解;然后,分别对各基本单元进行节点化建模,并在一定的机电类比规则下将其转换为等效电网络(元件);最后,根据节点变量约束关系,将这些等效网络(元件)逐层重构为器件级和系统级等效电路。结合一类典型MEMS集成系统——梳齿式静电反馈微加速度计的分析实例,对上述方法进行了具体介绍和验证。利用OrCAD等电路仿真器分析、测试了所建立的体现多能域耦合关系的微系统数字化分析原型,结果显示,相对于VHDL-AMS描述法,该模型具有单一域内的更加直观的模型形式和快捷的仿真速度,表明本文提出的方法在复杂MEMS集成系统的分析设计中具有一定的应用价值。     

基于Krylov子空间的微混合器宏模型设计与仿真

获得宏模型是微混合器设计与仿真的关键。将Navier-Stokes方程和对流扩散方程用有限元方法进行离散化处理,应用Krylov子空间的Arnoldi过程对得到的微分-代数方程组降阶处理,提取出宏模型。仿真结果表明,经过降阶处理得到的宏模型保证了微混合器的输出精度,降低了计算复杂度。     

宏微复合平台的微运动动态模型研究

宏微复合平台常应用于大行程运动和高精度定位的场合。基于对宏微复合驱动技术的的分析及研究,提出了一种音圈电机与压电陶瓷复合驱动的宏微复合运动平台结构,其中微运动平台采用压电陶瓷驱动和弹簧预紧,具有结构简单、分辨率高、刚度高和响应速度快等优点。针对微运动平台的主动控制问题,考虑压电陶瓷驱动器驱动电路以及滑块与摩擦复合作用的影响,建立微运动平台动态模型。通过微运动平台动态特性的实验研究,分析滑块与摩擦复合作用对微运动平台平稳性的影响。结果表明,该模型可快速缩短平台到达稳定的时间,满足平台精密定位要求。     

Bimorph结构微热执行器的节点分析方法

MEMS系统设计的节点分析法已成功应用于机电耦合器件的仿真，且已表明是一种简单实用的方法。本文在已有静态模型的基础上，通过对传热行为的分解以及引入等效质量，建立了Bimorph结构热执行器的动态节点模型。同时选取在电子行业得到普遍应用的电路仿真软件SPICE作为模型仿真平台，并将建立的节点分析模型应用于电路仿真平台。此模型数值实验证明，此方法和有限元分析软件ANSYS的仿真结果吻合较好，而且计算效率高，可在实际器件设计中作为参考。     

基于节点分析法的复杂MEMS系统级仿真研究

系统级仿真在MEMS产品的设计开发过程中具有重要作用。本文在概要介绍两种统一环境下MEMS系统级仿真建模方法,即模拟/混合信号硬件描述语言（VHDL-AMS、Verilog-A等）表述法和等效电路法的基础上,借鉴MEMS结构化设计即节点分析的思想,提出了一种有别于常规信号流类比方法,适于复杂MEMS系统快速仿真的等效电路建模思路与方法,并结合一类典型MEMS集成系统——梳齿式静电反馈微加速度计的分析实例,对其进行了具体介绍和验证。最后,对VHDL-AMS语言描述法与本文所提出的等效电路法各自的应用原理、特点等进行了比较和总结。     

Pneumatic gauge steady-state modelling by theoretical and empirical methods

Pneumatic gauging involves the determination of estimates of dimensional deviations from measurement experiments using a valid gauge model. This paper surveys theoretic and empirical methods for high-pressure gauge modelling. Theoretic reasoning alone may provide a model wherein steady flows through gauge restrictors are described by means of the energy equations. However, in such model formulation, restrictor discharge coefficients are affected by a number of factors. So, for adequate steady-state modelling, it is essential to consider discharge coefficient variations at different flow rates and for different flow restrictors. With this concern an empirical method has been entertained which is based on empirical equations proposed by Nakayama. Nevertheless, the both surveyed methods have led to invalid gauge models. Therefore, a possible alternative for two considered methods of high-pressure gauge modelling may be connected with response surface methodology employment.     

渐开线圆柱齿轮参数化建模思路研究

主要阐述了通过曲线、曲面、实体的流程进行圆柱齿轮参数化建模的方法。首先进行了球面坐标系下两个端面齿形的渐开线、齿根圆弧、齿顶圆弧以及螺旋母线的方程推导,讨论了齿根圆大于和小于基圆两种情况,并给出了相应的处理方法,完成了单齿的线框模型。然后通过边界混合、曲面合并、实体化方法生成单齿实体模型。最后通过齿根圆拉伸、单齿阵列、相应关系参数添加,完成了圆柱渐开线齿轮的参数化实体模型的建立。该齿轮可以随意改变变位系数等参数,而不用担心再生失败的问题,为后续的齿轮原型系统研究提供了基础模型。     

General geometric modelling approach for machining process simulation

Machining process simulation systems can be used to verify NC (numerically controlled) programs as well as to optimise the machining phase of the production. These systems contribute towards improving the reliability and efficiency of the process as well as the quality of the final product. Such systems are particularly needed by industries dealing with complex cutting operations, where the generation of NC code represents a very complex and error-prone task. A major impediment to implementing these systems is the lack of a general and accurate geometric method for extracting the required geometric information. In this paper, a novel approach to performing this task is presented. It uses a general and accurate representation of the part shape, removed material, and cutting edges, and can be used for any machining process. Solid models are used to represent the part and removed material volume. Bezier curves (in 3D space) are used to represent cutting edges. It is shown that by intersecting the removed material volume with the Bezier curves, in-cut segments of the tool cutting edges can be extracted. Using these segments, instantaneous cutting forces as well as any other process parameters can be evaluated. It is also shown that by using B-rep (Boundary representation) polyhedral models for representing solids, and cubic Bezier curves for representing cutting edges, efficient, generic procedures for geometric simulation can be implemented. The procedure is demonstrated and verified experimentally for the case of ball end-milling. A very good agreement was found between simulated cutting forces and their experimental counterparts. This proves the validity of the new approach.Notation cx ₃,cx ₂,cx ₁,cx ₀ parameters of cubic polynomialx(t) - cy ₃,cy ₂,cy ₁,cy ₀ parameters of cubic polynomialy(t) - cz ₃,cz ₂,cz ₁,cz ₀ parameters of cubic polynomialz(t) - bx _i ,by _i ,bz _i x-,y-, andz-coordinates of ith control point, respectively - b _i ith control point - R tool radius (m) - angular position of point on cutting edge measured from positivex-axis in case of flat end mill (°) - helix angle of cutting edge on flat end mill (°) - A, B, C, D parameters of the equation of a plane - td _i ,tu _i lower end and upper end of theith in-cut segment (before updating) - n number of in-cut segments (before updating) - td _j ,tu _j lower end and upper end of theith in-cut segment (after updating) - m number of in-cut segments (after updating) - dF _t , dF _r tangential and radial components of the infinitesimal cutting force (N) - K _t ,K _r empirical constants in tangential force and radial force equations (N/m²) - b thickness of axial infinitesimal element of cutting edge (m) - h instantaneous chip thickness of axial infinitesimal element of cutting edge (m) - _s shear strength of workpiece (N/m²) - dA _c cross-section area of undeformed chip on the infinitesimal element of cutting edge (m²) - shear angle (°) - _e effective rake angle (°) - friction angle (°) - or (t) angular position of point on cutting edge of ball nose of ball end mill (rad) - u _j , d _j lower end and upper end ofjth in-cut segment (rad) - t parameter     

Configuration-oriented product modelling and knowledge management for made-to-order manufacturing enterprises

In made-to-order (MTO) manufacturing enterprises (ME), product architectures are usually modularised and components standardised. Product configuration is a key technology for order realisation in MTO–ME and is a typical knowledge-based application. Through a configuration process, product modules or components are selected and assembled according to customer requirements. Product configuration relates to a great deal of knowledge that represents complexity relations among components or modules, such as configuration rules and assembly constraints. Traditional product modelling techniques are focused mainly on physical product modelling and geometric representation, which makes them insufficient to help in the product configuration process. This paper discusses configuration-oriented product modelling and knowledge management for MTO–ME. A general process of product configuration modelling is proposed. The configuration model represents a product family from which a specific configuration solution or product variant can be derived. Actually, configuration modelling is a process which captures and represents product knowledge. In this paper, product knowledge is organised and managed through a knowledge component (KCOM) that includes configuration rules and constraints. A KCOM-based product knowledge representation model is presented. Finally, a PDM system is extended to support product modelling and knowledge management for MTO configurable products .     

一种精确确定三相异步电动机定转子漏抗参数的方法

本文介绍了一种在三相异步电动机空载及堵转试验的基础上，利用电动机额定数据，通过计算等效电路的模值将定，转子漏抗参数分离的方法，该方法应用简单，与经验估算法相比具有较高精度。     

磁悬浮轴承磁路结构分析与数学模型建立方法

介绍了磁悬浮轴承系统构成和工作原理,从控制电流的性质、受控自由度数、悬浮力产生方式、作用力方式、磁极布置形式等方面对磁悬浮轴承进行了比较与分析,给出了基于等效磁路法的磁悬浮轴承悬浮力数学模型建立方法和步骤,为该类轴承磁路结构设计和建立数学模型提供了参考。     

轿车参数化分析模型的构造及应用研究

给出了基于三箱式轿车结构共性的参数化分析模型,并根据车身概念设计的流程和特点构建了概念设计阶段的车身开发平台,实现了轿车参数化分析模型和车身开发平台的信息集成,使设计人员可以在统一的操作环境下基本实现对汽车车身概念设计过程的控制。系统实现了车身早期开发CAD与CAE的集成,提高了结构方案选择的效率和结构设计的可靠性。