扭摆型隧穿磁强计的设计方法研究

本文提出了一种扭摆、谐振型隧穿式磁强计及其设计方法，它采用扭摆型线圈敏感被测磁场，结构易于加工且能够有效降低1／f噪声的影响。通过理论推导建立了扭摆和扭梁的力学模型，得出了磁强计灵敏度与扭梁刚度的关系，通过仿真说明了系统中各结构参数之间的关系，得到了隧穿式磁强计的设计原则，运用提出的设计流程和原则，进行了磁强计实例设计，在ANSYS下对此模型进行了固有频率和静态变形仿真，仿真结果与通过设计方法得出的值吻合较好，从而验证了模型的可靠性和方法的合理性。     

推挽式线性驱动隧穿加速度计研究

介绍了隧穿加速度计的工作原理,设计了一种利用线性梳齿驱动、推挽式力平衡闭环控制的MEMS隧穿加速度计,采用体硅溶片工艺研制出了原理样机,由于结构和工艺简单,获得了较高的成品率,此技术还应用于隧穿陀螺仪和隧穿磁强计的研制.     

考虑应力分布约束的压电全向加速度计梁结构优化设计

针对全向加速度计柔性支撑结构应力集中问题,以压电加速度计高灵敏度为目标,建立了考虑应力分布状态的新型全向加速度计柔性支撑结构优化设计模型。借助遗传算法,通过协同优化初始长度15 mm压电曲梁不同部位的曲率和直径,得到了具有变截面特征的压电全向加速度计曲梁支撑结构。数值实验结果表明,所得到的3压电曲梁支撑加速度计解算的全向灵敏度为传统3直梁支撑加速度计的2.5倍,且结构的最大应力仅为传统直梁结构的70%～90%。由于应力降低,曲梁加速度计的加速度线性测量范围扩大为传统直梁加速度计的1.2倍。在1～81 Hz加速度下,曲梁加速度计解算的全向灵敏度为0.7～1.3 V/g,为直梁加速度计的1.6～2.9倍。该设计解决了通过直接改变梁结构形式难以实现传统梁结构加速度计高灵敏低应力响应的问题。     

一种微型隧道效应磁强计的设计

隧道效应传感器是一种灵敏度很高的位移传感器,其原理已经被用于微加速度计和红外传感器的设计。文中介绍了基于这一原理的微型磁强计,对传感器的固有频率和驱动电压进行了分析和计算。     

水平式隧穿磁强计的反馈控制系统设计

分析了水平式隧穿磁强计控制系统的原理和特点;给出了反馈控制系统传递函数方框图;求出了水平式隧穿磁强计的表头、隧道效应及梳齿静电驱动等框图的传递函数.采用二阶有源带通滤波的方式来减弱外界的噪声影响,经实验验证,降低了隧道间隙的变动量,使得隧道间隙从0.4～1.6nm减少到0.9～1.1nm,满足设计要求.     

静电驱动MEMS柔性结构的变形分析与试验验证

针对静电驱动MEMS柔性梁的变形特性进行分析,依据静电场理论及伪刚体理论,考虑静电力非均匀分布载荷的基本特征、静电力与柔性梁变形之间的耦合作用及可能存在的边缘电场对静电力的影响,建立不同电压下求解柔性梁变形的数学模型,同时给出静电吸合电压的计算式。设计并加工了MEMS柔性梁,采用文中所建模型计算了柔性梁的变形,同时搭建试验测试系统测试柔性梁的变形及静电吸合电压,与理论计算结果具有较好的一致性,验证了文中建立的数学模型的正确性。     

MEMS面内电热微驱动器中U型梁的分析

介绍了一种单刀双掷面内电热微驱动器。基于U型梁受热膨胀的原理,在电压作用下梁受热变形,推动接触电极和信号电极接触,进而输出信号。分别采用金属镍和氮化硅作为驱动器主体结构和隔离部分的结构材料。利用Coventorware软件对驱动器中U型折叠梁进行有限元仿真,得出折叠梁在温度为300 K、电压为3 V、热臂宽度为2μm时,冷臂宽度和驱动位移、驱动力之间的曲线关系图,进而确定冷臂的宽度为20μm。此时梁的位移为22μm,固定端受力为180 N。最后进行应力校核,梁的最大应力为120 MPa,小于镍的许用应力,具有较高的可靠性。     

一种改进型梁-岛-膜压力传感器的研究与设计

研究了一种量程为800 kPa的改进型梁-岛-膜结构MEMS压阻式压力传感器,通过与常见的C型和E型结构进行仿真对比,证明这种改进型结构的传感器灵敏度得到了很大提高。采用IntelliSuite仿真分析最大等效应力、挠度和输出电压,得出在中心膜尺寸为2.6 mm×2.6 mm×60μm,梁尺寸为400μm×200μm×60μm,岛尺寸为1.3 mm×1.3 mm×370μm的情况下,该结构具有较高的线性度和灵敏度,同时进行了制版与加工流程定义。为了实现结构的优化,设计了压敏电阻的尺寸和阻值,通过对改进型结构的仿真,确定了获得最大电压输出时压敏电阻的尺寸;并分析比较了同一硅杯尺寸下3种结构不同压力下的最大等效应力、挠度和输出电压分布图,得出改进型结构灵敏度最佳。     

四种柔性T型联结节应力分析

分别将倒圆角直梁型、椭圆直梁复合型、抛物线直梁复合型及双曲线直梁复合型柔性铰链应用于柔性T型联结节结构中,采用结构实体单元SOLID92建立各柔性T型联结节的有限元模型,建立相应的边界条件对其承载能力进行研究。结果表明,(1)由椭圆直梁复合型柔性铰链构成的柔性T型联结节的承载能力最强;(2)该柔性T型联结节的最大弯曲应力、最大扭转应力和最大拉应力主要取决于最小厚度,且各应力均随宽度和最小厚度的增大而减小,这一规律与椭圆直梁复合型柔性铰链的各结构参数对其最大弯曲应力、最大扭转应力和最大拉应力影响规律的研究结果一致。     

基于绝对节点坐标法的柔性梁结构动态特性参数灵敏度分析

大尺寸柔性梁结构的刚度与材料力学特性和截面尺寸直接相关。考虑柔性梁结构的大变形特征,研究的材料参数和截面特性对其运动学和动力学的灵敏度特性具有重要的意义。基于绝对节点坐标法,对定截面梁单元进行建模,利用非线性介质力学方法推导其刚度矩阵,建立柔性梁结构动力学方程。基于直接微分法分析单摆梁末端对材料弹性模量和梁单元截面特性的灵敏度,利用灵敏度曲线,对梁结构的可靠性进行计算。结果表明,随着材料弹性模量的逐渐增大,单摆梁末端最低值对其灵敏度逐渐减小并趋向于0;单摆梁对截面高度的灵敏度比截面宽度更大,随着截面宽度和高度的增大,单摆梁末端最低值对其灵敏度逐渐减小并趋向于0。通过响应面及灵敏度曲线获得特定阈值下梁结构的参数值并分析其可靠性。     

折叠弹簧式MEMS水平扭转微镜的设计与分析

设计了带有折叠弹簧的静电驱动光开关水平扭转微镜,利用折叠弹簧代替直扭梁,增加扭梁的长度,有效降低微镜驱动电压.微型铰链结构使微镜保持在单一扭转工作模式下,其弯曲模式的影响可以忽略.利用MATLAB 7.0进行仿真分析,获得微镜驱动电压与扭梁长度的关系曲线.利用ANSYS 8.0获得了折叠弹簧式微镜结构的模态分析和谐响应分析结果,其工作模态频率约为1.77 kHz,远低于其他非工作模态频率.微镜结构的谐振频率约为1.8 kHz,能满足MEMS光开关对开关响应时间的要求.     

尼龙管钳嵌件强化及应力释放槽的优化设计

针对带嵌件的尼龙管钳在实际使用中过早断裂和撕裂的问题,分析其失效原因并提出在嵌件易失效危险区开设应力释放槽,增加圆角过渡并在槽的两侧增加球状结构的解决措施。首先计算带嵌件尼龙管钳的强度,通过理论证明强化作用。后采用ABAQUS软件,分析研究槽的不同宽度、深度、纵向位置、横向位置等参数对危险区应力分布的影响,分析结果认为槽横向位置与宽度参数变化对危险区应力释放和分散影响较大。研究以应力分散为指标,选择最优参数,为最大程度避免尼龙管钳过早失效,优化结构提供参考。     

Hybrid determination of mixed-mode stress intensity factors on discontinuous finite-width plate by finite element and photoelasticity

For isotropic material structure, the stress in the vicinity of crack tip is generally much higher than the stress far away from it. This phenomenon usually leads to stress concentration and fracture of structure. Previous researches and studies show that the stress intensity factor is one of most important parameter for crack growth and propagation. This paper provides a convenient numerical method, which is called hybrid photoelasticity method, to accurately determine the stress field distribution in the vicinity of crack tip and mixed-mode stress intensity factors. The model was simulated by finite element method and isochromatic data along straight lines far away from the crack tip were calculated. By using the isochromatic data obtained from finite element method and a conformal mapping procedure, stress components and photoelastic fringes in the hybrid region were calculated. To easily compare calculated photoelastic fringes with experiment results, the fringe patterns were reconstructed, doubled and sharpened. Good agreement shows that the method presented in this paper is reliable and convenient. This method can then directly be applied to obtain mixed mode stress intensity factors from the experimentally measured isochromatic data along the straight lines.     

介观压阻效应及器件

介绍GaAs/AlAs/InGaAs双势垒超晶格薄膜结构的介观压阻效应以及几种基于此效应的新型传感器件。阐述介观压阻效应的四个过程,结合空气桥结构和欧姆接触技术,在[001]晶向半绝缘GaAs衬底上加工出来了GaAs/AlAs/InGaAs共振隧穿结构(Resonant tunneling structures, RTS),并对其进行了加压试验研究,发现其介观压阻灵敏度达到2.54×10–9 Pa–1,是硅压阻灵敏度的一个数量级以上。采用控制孔技术成功加工出了基于RTS的圆膜压力、四梁加速度和仿生矢量水声三种新型纳机电器件,并分别对其进行了压力罐、振动台和水下驻波测试。结果表明圆膜压力传感器具有较好的力电耦合特性;四梁加速度计的压阻灵敏度随RTS两端偏置电压可调,并在微分负阻区具有最大压阻灵敏度;矢量水听器具有良好的“8”字余弦指向性,灵敏度在1 000 Hz时达到184.6 dB,可以实现水平面内的水下声信号探测。     

装配参数对附件机匣锥齿轮破裂故障的影响

针对航空发动机附件机匣锥齿轮由装配偏差引起的破裂故障,采用行波共振原理和有限元法,对锥齿轮进行模态分析和静应力计算,分析了啮合锥齿轮的齿轮间隙和主动锥齿轮垂直安装角度对主动锥齿轮齿根应力的影响。仿真与试验结果分析表明：主动锥齿轮结构具有一节径和二节径振型,模态频率与试验误差小于2.5%;齿轮装配间隙对齿根应力影响较小,装配工艺的要求相对合理;主动锥齿轮安装角度偏差对齿根应力影响较大,因此需要严格控制角度偏差。主动锥齿轮断齿金相组织形态及其破裂特征分析表明,锥齿轮的破裂类型为疲劳断裂,断口具有节径型振动疲劳断裂特征。     

二级杠杆柔性铰链复合结构的双足压电直线电机

为实现精密机械装置的快速定位,增加压电直线电机中位移放大结构对压电叠堆输出位移的放大能力,提出了一种基于二级杠杆和柔性铰链复合结构的新型双足压电直线电机。首先,对电机的作动原理进行分析,推导了驱动足轨迹方程。为提高其输出性能,对直圆型柔性铰链的参数进行了优化,得到最佳铰链参数为厚度th=0.2mm、切割半径Rh=1mm和宽度bh=10mm。最后,制作了该电机样机并进行了振幅、速度和负载性能测试,基于正交试验方法对电机速度进行了分析,得出电压对电机速度的影响更灵敏。实验结果表明,驱动足Ⅰ、Ⅱ的位移振幅分别在75μm和63μm附近波动,差值约为12μm;在120V、110Hz的信号激励下速度达16.163mm/s,最大负载能力为1.7N。与现有的压电直线电机相比较,该电机结构简单,易于安装调试,具有响应快、大振幅、速度大且运行稳定的特点。     

基于Ansys的桥式起重机焊接箱形梁疲劳裂纹研究

桥式起重机箱形梁是典型的薄壁结构,由于起重机受载情况及本身结构焊接缺陷等因素,在箱形梁上很容易出现疲劳裂纹。针对桥式起重机箱形梁疲劳裂纹现象,借助Ansys有限元软件,对箱形梁典型工况进行受载分析,判断出裂纹的位置及其产生原因;运用断裂力学和Ansys软件分析模拟出箱形梁疲劳裂纹的应力场、位移场以及应力场区域的大小,对起重机箱形梁进行疲劳裂纹扩展以及剩余寿命的预估都有意义。     

特大型龙门吊主梁结构优化设计

分析特大型龙门吊主梁的结构形式,基于等强度的设计理念,提出一种基于遗传算法的主梁结构优化方法;建立主梁结构优化的数学模型,以结构重量最小作为优化目标,对主梁进行结构优化,输出优化结果;对优化后的主梁进行有限元建模,添加约束与多工况载荷,分析主梁的挠度与应力值情况;对有限元分析结果进行分析,验证优化的正确性,为主梁结构进一步优化提供重要依据。     

岸边集装箱起重机抗震计算分析

应用有限元软件ANSYS建立了岸边集装箱起重机（以下简称岸桥）三维计算模型,基于模态分析结果,以计及码头放大作用的设计反应谱作为输入,利用反应谱法对岸桥进行了抗震计算。计算结果表明,耦合模态的作用使纵向地震作用引起一定的垂向位移响应;在运行小车处于前大梁端部且吊有集装箱工况下,横向地震作用时,由于在岸桥响应中起主要作用的第7阶模态对应的固有频率接近横向地震反应谱峰值对应的频率,岸桥应力响应较大;但是,总的来讲岸桥在各向地震作用下的应力响应不是很大。     

基于ANSYS的焊接箱形梁裂纹断裂分析

以断裂力学理论为基础,推导了焊接箱形梁裂纹尖端应力强度因子计算公式,以ANSYS作为计算工具,模拟焊接箱形梁裂纹扩展,并采用奇异单元计算在不同长度初始裂纹下起重机焊接箱形梁应力强度因子范围。