A new optimal design and analysis method based on MADM for MEMS products development

This paper presents an optimum design method to support the total micro-electromechanical systems (MEMS) product/device optimization, and its evaluation at the conceptual stage itself using the multiple attribute decision making method. In the traditional MEMS product development cycle, simulation and design using software tools are very important due to the knowledge limitation and complexity in design, fabrication, and packaging processes. The available tools are time consuming and relay on trial and error to achieve an optimum solution. The proposed method simplifies the relationship between parameters of design, fabrication, materials, packaging, and the performance of the MEMS product. The methodology is explained with the help of design flow diagram and time chart. A MEMS-based radio frequency (RF) power sensor is designed and the methodology is demonstrated. The proposed sensitivity analysis method is more effective and less time consuming than traditional techniques. Sensitivity analysis is carried out by varying the thickness of the signal conductor. The results of RF power sensor with insertion loss 0.428?dB, reflection loss 25.956 and voltage standing wave ratio of 1.106 at 1.5?GHz are reported.     

面向对象的微机电系统结构设计方法

为了解决微机电系统模型重复利用性差以及其仿真精度与计算时间的矛盾,针对微机电系统结构工作原理相似的特点,提出了面向对象的微机电系统结构设计方法.将大自由度微机电系统结构按其工作原理划分为参数化的小自由度对象,对象互相联系实现器件功能.相比于传统有限元方法,对象底层数学模型着重基于对象的功能建模和工作环境中状态的迁移原则,对象模型计算速度快且易于修改,可自由搭配重复使用.以1种音叉式微陀螺为例构造其对象模型,基于Simulink进行了时域和频域的仿真,实现了较好的解析精度和速度.     

工程稳健优化设计

本文从工程设计观点讨论了设计解的稳健性、稳健设计和稳健优化设计的基本概念,提出了一种基于随机优化技术的稳健优化设计的建模原理和求解算法,这一方法将通过调整设计变量的名义值和控制它的容差来考虑可控变量和不可控参数的变差对产品质量的影响,以提高设计解的可行稳健性和质量函数的不灵敏性。     

一种求解集成生产计划的混合协同进化算法

讨论了一类带有序列相关的机器调整时间和有限缓冲空间的流水车间批量计划与调度的集成优化问题,给出了该问题的非线性混合整数规划模型,提出了一种求解混合协同进化问题的算法.模型的目标函数是使库存费用、缺货费用和加班费用之和最小,约束函数考虑了库存平衡约束和需求平衡约束.算法采用协同进化算法与遗传算法的并行混合搜索结构,通过迁移算子把协同进化的子种群和独立进化的公共种群有机联系起来,同时算法采用基于邻域的进化策略,以提高算法性能.最后,对三种不同规模的问题进行了数值仿真实验,结果验证了算法的有效性.     

混沌遗传优化算法及其在机械优化设计中的应用

为了解决传统遗传算法的早熟问题,首次提出了混沌移民算子。利用混沌迭代的遍历性和内在随机性。通过混沌移民操作可克服传统遗传算法中的近亲繁殖问题,确保算法的全局收敛性。用MⅣ啪语言研制了混沌遗传优化算法软件;数值计算表明,该算法的全局收敛性好、算法稳健,适应于求解连续变量的无约束及有约束优化机械优化设计问题,具有工程实用价值。     

基于单层进化的产品客户化设计

为了满足客户的个性需求进行产品设计,提出了基于单层进化的产品客户化设计方法。在产品平台的基础上,利用进化技术中的遗传、变异和交叉等方法进行产品设计,产生更多的变型产品设计方案。产品的结构和参数在一个个体中得到表达,在个体结构部分存储其节点号码列,在参数部分存储所选择模块相应的参数,在进化过程中产品的结构和参数同时得以确定。通过适应度函数的评价,使进化后的设计方案满足客户的定制需求。通过蜗轮蜗杆减速器的进化设计来说明以上方法。     

一种求解Flow-Shop调度问题的混合量子进化算法

针对Flow—Shop调度问题,在量子进化算法的基础上,提出了一种求解置换流水车间调度问题的混合量子进化算法（HQEA）,融合了量子进化算法和经典遗传算法的优点,并提出了一种新的针对置换流水车间调度问题的解码方法和一种新的量子门更新旋转角策略,最后针对一系列典型置换流水车间调度问题进行了对比仿真。研究结果表明,所提出的混合量子进化算法HQEA具有良好的全局搜索能力和较快的收敛速度。     

智能优化算法在机械优化设计中的应用

针对传统机械优化设计算法存在的问题,分析介绍了近年来兴起的智能优化算法,主要是几种神经网络模型和进化计算等智能化算法用于机械优化设计的基本思想和应用方法。     

基于MEMS传感器的无线传感网络节点的硬件设计

为了解决对建筑物的结构健康安全监测进行在线监测的问题,采用微机电系统(MEMS)技术和无线传感器网络技术相结合的方法,提出了一种基于磁驱动增大检测电流的新型电容式加速度传感器结构,介绍了其工作原理,并设计了该传感器的电容检测电路,在ANSYS仿真软件上对传感器性能进行了评价,在Multisim上对检测电路进行了模拟仿真;仿真结果表明,该传感器可以检测三维加速度信号,静态灵敏度可达0.558μm/g,动态测量范围为10 g,电路实际输出与仿真结果相符,符合要求;在节点整体方案设计中以低功耗的MSP430F1611作为控制MCU,以CC2430芯片实现无线收发,配合周围接口电路实现了位移信号的监测功能;采用片内温度传感器对节点进行了测试。测试结果表明,该节点能够完成监测,满足设计要求。     

环形波动陀螺结构设计与仿真

基于 MEMS 技术,提出了一种环形波动陀螺结构并建立了谐振子的有限元模型。利用 ANSYS软件对谐振子进行了模态分析,确定了各阶振型和固有频率。通过分析谐振子结构参数对振型和频率的影响,得到了谐振子的优化设计参数,优化后其工作频率与其他振型频率的差大于1 kHz,有效避免工作模态与其他模态间的频率耦合。经仿真验证,设计的环形结构的性能参数满足要求,具有明显的优越性。     

MEMS集成设计中数据交换的研究

MEMS集成设计是目前发展的趋势,由于在MEMS设计中使用不同的CAD软件所产生的数据格式不兼容,使得MEMS设计过程复杂、周期长,且大大影响了设计的优化结果。因此,这里提出建立以STEP为标准的数据库自动进行数据格式交换的方法。     

产品公差的并行优化设计

在分析产品公差设计现状的基础上,提出了公差并行优化设计的数学模型;给出了一个份真实例。     

Near optimal manufacturing flow controller design

Flow control of flexible manufacturing systems (FMSs) addresses an important real-time scheduling requirement of modern manufacturing facilities, which are prone to failures and other controllable or stochastic discrete events affecting production capacity, such as change of setup and maintenance scheduling. Flow controllers are useful both in the coordination of interconnected flexible manufacturing cells through distributed scheduling policies and in the hierarchical decomposition of the planning and scheduling problem of complex manufacturing systems. Optimal flow-control policies are hedging-point policies characterized by a generally intractable system of stochastic partial differential equations. This article proposes a near optimal controller whose design is computationally feasible for realistic-size systems. The design exploits a decomposition of the multiple-part-type problem to many analytically tractable one-part-type problems. The decomposition is achieved by replacing the polyhedra production capacity sets with inscribed hypercubes. Stationary marginal densities of state variables are computed iteratively for successive trial controller designs until the best inscribed hypercubes and the associated optimal hedging points are determined. Computational results are presented for an illustrative example of a failureprone FMS.     

Generalised design for optimal product configuration

Design of configurable product family or design for configuration has emerged as an efficient tool to deal with the new challenges of a continuous dynamic and volatile market. Design for configuration provides an efficient and effective mean to realise the product variety. This paper tackles the optimal product configuration. The introduction of fuzziness to capture the subjective nature of the design for configuration process, the building of multiple fuzzy models, which correspond to the multiple views of a configurable product, permits to propose the possible physical solutions to configure a product. It corresponds to the consensus problem of design for configuration. The extended problem formulation is the proposition of an optimal product configuration. The optimal solution is searched using p median problem formulation. The proposed approach is validated by the design case study of a configurable product.     

转轴的抗疲劳稳健优化设计研究

结合转轴的失效模式,建立了转轴的抗疲劳稳健优化设计模型,利用Visual C＋＋、SQL开发完成其原型系统。整个设计过程充分考虑了不确定因素对疲劳强度的影响,以提高转轴质量的抗干扰能力,保证了质量的稳健性。     

MEMS引信钟表机构延时设计的研究

针对MEMS钟表机构的延时时间的设计,提出适合我国现有的MEMS工艺水平的新的设计方法.为了设计MEMS引信保险机构的延时时间,对钟表机构进行部分数学模型的构建,并提出可以有效提高钟表机构延时时间的参数及设计思路.利用动力学仿真分析软件ADAMS时钟表机构模型进行仿真计算,得出钟表机构的延时规律.在其它条件一定的情况下,应用该模型对加载不同的转矩进行仿真.仿真结果表明,齿摆钟表机构中齿摆间的压力对延时时间起决定性作用.在设计中,可以根据所设计的延时时间,运用此因素来设计和修改模型从而使引信达到理想的延时时间.     

基于随机平均法的MEMS陀螺自适应控制设计

利用随机平均法对MEMS(微机电系统)陀螺驱动和敏感模态进行了分析,研究了MEMS陀螺的自适应控制设计,使陀螺工作在调谐驱动和力平衡闭环检测状态.该设计能够实现陀螺的恒定幅度和固定频率谐振驱动、驱动和敏感模态匹配,抵偿由刚度耦合引起的正交误差信号,使敏感模态振动在零位平衡位置,提高陀螺动态范围和灵敏度.结合实际陀螺参数,利用MATLAB软件对陀螺自适应设计方案进行了仿真,并设计了驱动模态的调试电路,仿真和调试结果验证了理论分析的可行性.     

基于MDO的MEMS多物理域耦合设计建模

微机电系（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）涉及多个物理域，多物理域的耦合加大了设计建模的难度。多学科设计优化方法（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）是专门针对复杂系统的综合设计优化方法，在处理系统间的相互耦合问题上有着技术和方法上的优势。提出将多学科设计优化方法应用于MEMS的多物理域耦合设计，并对相应的多物理域耦合建模方法作出了分析研究。     

Design of a vibrating MEMS gyroscope considering design variable uncertainties

Recently, several micro electro-mechanical systems (MEMS) such as a MEMS gyroscope have been developed by using micro manufacturing technologies. Micro scale products, however, usually have a relatively large manufacturing uncertainty compared to normal macro scale products. It is quite expensive to lower the variance of material properties as well as the geometric properties of a micro scale product. The material and geometric uncertainties caused by a micro manufacturing process inevitably lead to the uncertainty of the product performance. Therefore, to achieve a reliable design of a product, the performance uncertainty of the product, which is often expressed by the variance or the standard deviation, needs to be estimated in a reliable way. In this paper, the equations of motion of a MEMS gyroscope model are derived to analyze the system performance indices (sensitivity and bandwidth). The mean values of the design variables are determined from the requirements of product size, maximum vibration amplitude, and driving frequency. Then the standard deviation of some critical design variables is determined from the performance requirements. Finally, a statistical analysis procedure based on sample statistics is proposed to estimate the confidence interval of the performance index statistics.     

人机协同的交互进化产品概念设计方法研究

为解决当前进化算法尚难完全模拟人类智能进行产品概念设计这一问题,提出了一种结合人机智能的交互协同进化方法,进行产品概念设计.利用面向对象与数据库两种技术,实现了产品设计的柔性建模,并借助交互可视化技术,使设计师通过对变量、约束、进化策略与目标权值的动态调整,在建模、搜索与评价的设计全过程实现人机协同的交互进化.最后,利用遗传算法与基于实例的推理技术,开发了人机协同的交互进化产品概念设计系统,并将其应用于注塑模结构优化设计,实例验证了该方法的有效性.