微机械电容式加速度计静力分析

本文根据微加速度计的结构特点,分析了单晶硅的力学特性,并且利用有限元方法对微电容式加速度计敏感芯片弹性梁的刚度、应力、应变进行了分析。     

基于SIMP模型的微电容加速度计结构拓扑优化

基于连续体结构拓扑优化的SIMP材料插值模型,以微电容加速度计结构弹性梁和质量块检测方向的柔度最大化,非检测方向的柔度最小化为综合相对柔度目标,以检测方向的谐振频率尽可能小于非检测方向谐振频率为抗横向干扰能力目标,一定体积比作为约束条件,建立了微电容加速度计弹性梁和质量块结构拓扑优化设计模型,采用优化准则算法进行迭代求解计算,通过二维数值算例验证了优化模型的有效性,为研究微电容加速度计结构优化设计提供了一种新的思路和方法.     

一种减小微机械加速度计振动偏移的方案

为降低敏感元件对称性较差的微机械加速度计的振动偏移,对加速度计振动偏移产生的原因和抑制方案进行研究.首先,分析了系统学模型,并得出对于不对称的敏感元件采用对称的电容检测电路时,检测电路输出和敏感元件动极板位移关系函数中存在明显偶次项系数,进而造成振动零偏;其次,讨论了力矩器的非线性,通过理论分析得出,外加静电力等效对称方案无法抑制力矩器环节的振动偏移,提出了敏感元件等效对称补偿方案以及静电力发生器等效对称化方案,通过理论分析得出该方案大大降低了敏感元件不对称带来的振动偏移;最后,对静电力对称方案和等效对称补偿方案进行了对比试验.试验结果表明,对于对称性较差的敏感元件,等效对称补偿方案在保证线性度的同时,大大减小了振动时输出均值的偏移.     

硅三明治型微机械加速度计温度漂移与敏感结构热膨胀关系研究

针对硅基三明治型微加速度计的温度漂移现象,基于力学和热学原理,分析了微加速度计敏感部分关键结构弹性梁、敏感质量块在温度升高时的热膨胀与力学平衡关系变化。结合微加速度计的闭环反馈工作方式,导出了其输出改变,指出由于弹性梁、敏感质量块在温度升高时热膨胀引起的输出变化小于0.002gn/10℃,同时,实验表明微加速度计输出随温度的变化为(0.1~0.2)gn/10℃。两者对比的结果显示,由于温度变化而引起的敏感结构热膨胀导致的输出改变不是微加速度计产生温度漂移的主导原因,研究结果为三明治型微加速度计稳定性与漂移的进一步研究提供了参考。     

表面损伤层对结构整体变形和刚度的影响研究

基于等效介质概念,对含表面微裂纹构件的力学特性进行了分析,给出了损伤层的定义,建立了含表面微裂纹的梁结构的等效双材料组合梁模型,推导了含损伤层梁的挠曲线微分方程,研究了损伤层对梁的弯曲变形的影响,给出了梁的挠度变化与损伤层厚度及等效弹性模量的关系,同时,分析了损伤层厚度及模量对梁的刚度的影响。分析计算结果表明:随损伤层厚度的增加,梁的挠度增大,刚度减小;随损伤层弹性模量的减小,梁的挠度增大,刚度减小;当损伤层厚度达到梁高的1/30以上时,损伤层对梁的弯曲变形和刚度影响较大,对机械加工的精度有较大影响。     

梯形变截面梁蟹腿加速度计系统设计

结合蟹腿加速度计系统动态响应、稳定性和灵敏度对支撑梁刚度的要求,设计并优化了一种梯形变截面梁,满足加速度计的不同方向刚度要求。建立加速度计的动力学模型,得到系统动态响应性能参数与梁刚度关系;建立梯形变截面梁纯弯曲的数学模型,推导出梯形变截面梁刚度和尺寸关系;分析强度对尺寸要求;通过对加速度计系统稳定性和灵敏度分析,对梁结构提出了要求。在非检测方向同等刚度条件下,梯形变截面梁与等截面梁相比,危险截面处应力相当而检测方向刚度减小,系统灵敏度提高,提高系统动态输出特性,质量大幅减轻。     

四腿菱形变截面梁微加速度计结构设计与研究

在传统等截面双边四梁微加速度计结构上,以变极距式电容传感器为对象,设计一种菱形变截面梁.为增加梁的稳定性,满足加速度计对不同方向刚度要求,并提高灵敏度,建立加速度计数学理论模型,推导出灵敏度与刚度的关系.建立梁的纯弯曲模型,并基于静电驱动原理,推导出静电刚度公式,确定满足静电刚度小于机械刚度的条件下加速度计量程.结果显...     

上弦梁刚度对机车车体强度和刚度的影响分析

采用有限元方法分析上弦梁刚度对通用型窄轨内燃机车车体结构强度和刚度的影响,结果显示,上弦梁刚度对车体各部分的影响是不同的:上弦梁刚度的增加,会增加车体司机室结构的最大等效应力,而降低底架结构的最大等效应力和底架与边梁的挠度.     

飞行器对接框接触界面的等效模型及刚度特性

针对空间飞行器对接框结构工作时拉压载荷特点,采用周向双弹簧等效接触模型进行对接框接触界面刚度等效,建立对接框结构在压力载荷和弯矩载荷作用下结构的接触界面刚度计算解析模型。基于弹性力学和Hertz及分形理论分别推导了对接框锁钩与接触面等效弹簧刚度,研究了变载荷作用下对接框接触界面刚度的变化特性,并利用对接试验平台对刚度模型进行了验证。结果表明:对接框在受压力载荷时刚度随载荷非连续增加,在载荷与预紧力相等时接触界面刚度发生突变;弯矩载荷时刚度随载荷的增加而接近于线性增大。该结果可为空间飞行器动力学特性分析中接触界面刚度等效提供参考。     

电信系统中的硅微机械滤波器结构鲁棒设计

基于2振动自由度的静电梳驱动折叠梁微机械滤波器振动模型,利用结构鲁棒设计思想,在指定耦合梁宽度等于振子折叠梁宽度的前提下,推导出了两个固有频率对微梁宽度工艺误差的灵敏度模型,得到了对工艺误差不敏感的梳状振子应满足的几何条件,将现有参考文献中仅适用于单个振动自由度微谐振器的结论推广到了多振动自由度微机械滤波系统。并以正方形作为振子基本形状,推导出了折叠梁宽度与补偿孔壁厚、补偿孔数量的重要关系。最后,给出了设计实例。所提出的方法对于其他类型的多自由度微机械振动系统设计也有重要的参考意义。     

弹性夹层叠形梁结构的力学性能研究

本文提出的方法与原理为解决这类结构分析问题提供了有力工具。     

机翼颤振模型梁架加工变形研究

机翼颤振模型对模拟飞机动力学特性、刚度分布、质量分布与气动外形具有重要意义.其梁架的性能对飞机模拟颤振试验有着重要的影响.机翼颤振模型梁架由于尺寸大、结构复杂、刚度差,在铣削加工中变形较大,其精度难以控制.为此,借助有限元软件对其进行铣削加工仿真,获得已加工表面残余应力,进而预测梁架铣削时的加工变形.在此基础上,对梁架加工工艺进行优化,提高加工精度.     

基于非线性拓扑优化的汽车变厚度保险杠耐撞性设计

结合非线性拓扑优化方法和连续变厚度轧制技术对汽车保险杠横梁进行了耐撞性设计。推导了基于板壳厚度插值的非线性吸能灵敏度公式,并把灵敏度约束在轴向与周向上。应用该方法对三点弯工况下的保险杠进行优化设计,最终确定了保险杠的厚度分布。优化结果表明,等质量情况下,对比均匀厚度的保险杠,具有连续变厚度（TRB）结构的保险杠吸收能量值平均提升了近30%。     

A modeling and analysis of spring-shaped torsion micromirrors for low-voltage applications

An electrostatic torsion micromirror is designed using the optimized spring-shaped torsion beams and U-shaped groove supporters. The main advantages of this design will be a reduction in the pull-in voltage for low-voltage applications and the function as a switch of the instability mode by adjusting the effective bending stiffness of the torsion beam. In this design, a theoretical model is developed to demonstrate the static characteristics of the electrostatic torsion micromirror. The pull-in effect is investigated specifically to predict the pull-in voltage, pull-in angle, and pull-in displacement. These parameters depend significantly on the electrode size and position, position of the groove, and ratio of the bending and torsion effect of the torsion beam. In addition, the effective torsion and bending stiffness model is provided using the energy method with the objectives to optimize the spring-shaped geometries of the torsion beams and to decrease the pull-in voltage below 2 V. The U-shaped groove supporters are applied in the theoretical model to adjust the effective bending stiffness of the torsion beam and to switch the instability mode of the torsion micromirror. The theoretical analysis is consistent with the numerical simulation using MEMCAD and experimental results measured by an optical projection method.     

电磁拉盖尔-高斯光束通过湍流时偏振度研究

基于相干性和偏振性统一理论,经理论推导,得出部分相干电磁拉盖尔-高斯光束在湍流中传输时偏振度的解析表达式.经数值计算,结果表明:在湍流中,当源偏振度(P0)、结构常数C2n、相干长度和光束阶数不同时,经过足够长传输距离,部分相干电磁拉盖尔-高斯光束的偏振度逐渐趋向于P0,而在自由空间中,该光束的偏振度达到其各自不同的极限值;当δx=δy时,不论在自由空间中还是在湍流中,光束的偏振度都不改变.此结论对部分相干光的大气传输在激光雷达成像以及远距离相干测量和光通信等领域有实用意义.     

Exact static analysis of partially composite beams and beam-columns

The ordinary differential equations and general solutions for the deflection and internal actions and, especially, the pertaining consistent boundary conditions for partially composite Euler–Bernoulli beams and beam-columns are presented. Static loading conditions, including transverse and axial loading and first- and second-order analyses are considered. The theoretical procedure is applicable to general loading and boundary conditions for uniform composite beams and beam-columns with interlayer slip. Further, the exact closed form characteristic equations and their associated exact buckling length coefficients for composite columns with interlayer slip are derived for the four Euler boundary conditions. It is shown that these coefficients are the same as those for ordinary fully composite (solid) columns, except for the Euler clamped-pinned case. For the clamped-pinned case, the difference between the exact buckling length coefficient and the corresponding value for solid columns is less than 1.8% depending on the so-called composite action parameter and relative bending stiffness parameter. Correspondingly, the maximum deviation between the exact and approximate buckling load is at most 2.5%. These small differences can in most practical cases be neglected. Also, the maximum theoretical range for the relative bending stiffness for partially composite beams and beam-columns is derived. An effective bending stiffness, valuable in the determination of the critical buckling load for partially composite members, is derived. This effective bending stiffness is also suitable for analysing approximate deflections and internal actions or stresses in composite beams with flexible shear connection. The beam-column analysis is applied to a specific case. The difference in the approaches to the first- and second-order analysis is illustrated and the results clearly show the magnification in the actions and displacements due to the second-order effect. The magnification of the internal axial forces is different from magnifications obtained for the other internal actions, since only that portion of an internal axial force that is induced by bending is magnified by the second-order effect.     

基于测试验证的散料运输车底架承载梁的结构分析

建立了铁路养路机械散料运输车自动装卸底架承载梁（以下简称底架梁）简化的有限元模型,并通过底架钢结构梁的静态应力和应变测试试验,验证了有限元模型的正确性。基于此有限元模型,对底架梁作了进一步的强度、刚度和模态分析,得出了3种危险工况下底架梁的应力、应变情况及动态特性。该研究方法和思路为解决此类大型养路机械底架结构强度工程问题提供了有益借鉴。     

汽车扭力梁侧倾工况性能设计

主要阐述侧倾工况下扭力梁3个重要性能指标及其设计方法,即侧倾角刚度、侧倾前束角变化梯度和侧倾外倾角变化梯度。介绍相关结构参数和性能指标,建立整车-系统-结构三级性能指标的分解关系,提出一种侧倾性能结构布置长方体设计理念,通过汇总统计扭力梁结构参数和性能指标总结其常用范围,为扭力梁的性能设计提供参考。     

基于加速度变化率的轮胎等效侧偏刚度估计方法

等效侧偏刚度精确地反映了轮胎的侧偏特性,是汽车操纵稳定性研究中的重要参数。为此提出了基于加速度变化率的汽车轮胎等效侧偏刚度估计方法。采用三自由度汽车动力学模型,把前后轮侧向力的时间变化率表示为加速度变化率的函数。利用轮胎力学特性理论推导出瞬时等效侧偏刚度的估计公式,在汽车纵向加速度为稳态的条件下,利用轮胎侧向力的时间变化率和轮胎侧偏角的时间变化率来估算轮胎瞬时等效侧偏刚度。通过ADAMS软件的整车常半径转向虚拟试验对估计方法进行了验证。虚拟试验结果表明提出的方法具有较好的估计精度。     

利用局部振动频率识别框架结构构件刚度参数

鉴于依据结构整体动力反应很难准确识别结构局部构件的物理参数,提出了结构局部激振检测方法,既对结构局部进行激振,依据结构局部激振反应提取其固有频率,再利用此固有频率运用方法识别结构局部构件的物理参数。本文将框架结构中的梁柱简化为两端有弹性约束、具有等刚度和等分布质量的杆件模型,推导了这一模型的频率特征方程,并进一步分析了两端弹性约束对其振动固有频率的影响。仿真算例表明：在固有频率误差较小的情况下,本文方法可准确地给出构件抗弯刚度和边界条件。