压电微悬臂梁的制作及其基频的研究

制作了PNZT薄膜驱动的压电微悬臂梁,将压电微悬臂梁的模型简化为压电层-结构层双层微悬臂梁模型,并使用理论计算和有限元仿真软件分析了双层微悬臂梁模型的基频,最后用激光多普勒测振仪对微悬臂梁结构进行了测试。结果表明,仿真、理论和实验测试结果在一定程度上符合得很好,为以后此类压电微悬臂梁的制作和基频的计算提供了参考。     

阶梯结构微梁传感器优化设计

为了实现微悬臂梁传感器的自驱动自感知功能,设计了嵌套式阶梯结构微悬臂梁传感器。采用有限元分析的方法对其微梁的自由端弯曲位移和固有频率进行了仿真,研究了阶梯结构对微悬臂梁传感器性能的改善,确定了微悬臂梁传感器的阶梯结构参数。结果表明,经优化设计后的微梁传感器,微悬臂梁自由端弯曲位移可达566 nm,提高了2倍;固有频率可达385 k Hz,提高了1. 45倍。阶梯式微梁的成功设计为传感器的集成与小型化奠定了基础。     

静电驱动微悬臂梁静态吸合特性的尺寸效应研究

基于修正偶应力理论研究了静电驱动微悬臂梁在考虑Casimir力时的静态吸合特性。利用最小势能原理得到了微悬臂梁弯曲的控制方程和边界条件,应用广义微分求积法(GDQM)求解后得到静电驱动微悬臂梁吸合电压与无量纲吸合位移的数值解。结果表明,基于修正偶应力理论的静电驱动微悬臂梁的吸合电压明显高于经典理论值,表现出明显的尺寸效应;同时Casimir力降低了微悬臂梁的吸合电压与无量纲吸合位移。当微悬臂梁的初始间隙g远远大于其厚度h时,Casimir力的影响可以忽略不计。     

基于LIGA技术的光热驱动微开关研究

设计制作了一种三角形结构的金属材料光热驱动微开关.通过理论分析和ANSYS仿真,揭示了光热偏转量与三角形结构的微悬臂倾角之间的相互关系;基于同步辐射光源及LIGA技术,以金属镍(Ni)为基底材料,微加工制作出一个微悬臂长度1435μm、倾角6°的微开关器件;利用光热驱动控制与显微视频监控系统,进行了光热驱动及偏转量检测...     

静电驱动阶梯型微悬臂梁吸合电压分析

针对静电驱动微机电系统(Micro-electro-mechanical system,MEMS)器件中常见的阶梯型微悬臂梁结构,提出一种吸合电压的计算方法。基于欧拉梁理论和修正的偶应力理论,运用能量法推导出吸合电压理论模型。采用试函数与待定系数的积来表示微悬臂梁位移,利用泰勒展开来简化求解过程。通过与有限元结果对比来验证模型的正确有效性,讨论试函数的选取以及泰勒展开阶数的确定,并与传统质量弹簧模型方法进行对比,最后研究其吸合特性。结果表明,泰勒展开阶数取8时截断误差可以忽略,试函数选择阶梯型微悬臂梁位移函数,理论模型预测误差小于5%,预测结果明显优于传统方法。吸合电压随宽度比增加而单调递增,随长度比增加出现先减小后增加的变化现象,可为低驱动电压MEMS器件设计提供参考。该理论模型中考虑了边缘场效应、尺度效应的影响,可应用于微纳米尺度的微悬臂梁的吸合电压预测。     

基于微悬臂梁的微量液体浓度定量检测

采用双材料微悬臂梁结构,实现了一种对微量液体浓度的定量检测方法.该方法是基于双材料微悬臂梁的温度敏感性,当微定量液体分析物吸收光热光谱特征波长的光时,温度发生变化,悬臂梁相应会发生弯曲,通过光杠杆法测量弯曲量,从而实现微悬臂梁对微量液体浓度的定量检测.为了验证对微量液体浓度测量的适用性,实验中采用了已知在980 nm处...     

超磁致伸缩薄膜悬臂梁的非线性变形分析及试验

将双层超磁致伸缩薄膜(Giant magnetostrictive thin film,GMF)悬臂梁的磁致伸缩作用等效为分布弯矩作用,以简化磁机耦合模型。在几何非线性弹性变形理论基础上,根据哈密顿原理推导出超磁致伸缩薄膜非线性变形的控制方程,并给出超磁致伸缩薄膜悬臂梁静态几何非线性变形模型、非线性主共振和超谐波共振响应模型。采用悬臂梁式超磁致伸缩双层膜(铽镝铁—聚酰亚胺—钐铁)进行变形特性的试验研究,发现超磁致伸缩双层膜表现出明显的几何非线性变形特征,悬臂梁端部位移量约为厚度的2/3;同时检测到悬臂梁的超谐波共振现象,前三阶超谐波共振的驱动效率与一阶主共振的驱动效率具有可比性。将所提出的静态非线性变形模型和振动响应模型分别与试验结果对比发现,两个模型可较好地说明双层超磁致伸缩薄膜的非线性变形特性,为有效地利用超磁致伸缩薄膜设计开发微驱动器和微传感器提供依据。     

柔性并联微夹取器的动力学分析及试验研究

针对一种具有毫米级操作空间和纳米级位移分辨率的、由直线超声电机驱动的柔性并联微夹持器,进行了动力学建模分析和实验研究。基于筷子夹取物体的操作原理,该微夹持器采用并联双层的结构形式。利用单位向量法,基于万向柔性铰链两端面始终平行的假设建立了微夹持器的运动学模型,表明了电机输入与操作末端输出之间的关系。采用ADAMS软件构建了微夹持器的刚柔耦合动力学仿真模型,由反向动力学仿真分析得到了微夹持器运行过程中几个重要的特征参数;由向前动力学仿真分析得到了操作末端,即探针尖端在给定输入函数下的位移、速度和加速度响应参数。对微夹持器的性能测试和夹取实验结果表明,该微夹持器的运行范围为2332μm×2109μm×20000μm,位移分辨率达到0.1μm,能够实现对微小物体的夹取操作。     

悬臂梁结构单点非高斯激励动态位移响应分析

针对非高斯随机载荷的复杂性,研究了悬臂梁结构在单点非高斯激励下的位移响应问题。通过定性分析非高斯随机载荷的统计特性和频谱特征指出基于功率谱的频域方法对于非高斯过程不完全适用,并进一步说明基于高阶谱的分析方法很难展开应用。通过理论研究建立了悬臂梁结构时域非高斯激励位移响应计算公式,并确定了影响结构位移响应峭度值的不同因素。通过仿真计算具体分析了激励位置、平稳性和阻尼比对结构位移响应非高斯性的影响。     

触点式微型光热驱动器设计及实验研究

随着微电机系统(MEMS)在众多领域的广泛应用,各种形式的微型驱动器不断得到发展。介绍微尺度光热膨胀与光热微驱动的原理,设计与加工制作了基本型和优化型触点式微型光热驱动器,开展了光热微驱动的实验研究,证明了光热微驱动的可行性,并验证了优化型触点式微型光热驱动器的优化性能。     

导电聚合物驱动器力学模型建立的研究

针对自制的三层弯曲型聚吡咯导电聚合物驱动器搭建的实验系统,依据等效悬臂梁理论建立驱动器的力学模型。测量驱动器施加低电压(0~1 V)时的基体弯曲变形量,通过研究驱动器的弯曲位移与电压、力与电压的关系,建立了电压与均布载荷的函数关系式。实验结果表明,电压与垂直方向位移成线性关系,当电压为0.7 V时位移可达到17 mm,并且得到电压与应变的比例因子近似为α=0.013。最后计算驱动器各等分点的理论偏转位移与测量值的偏差,得出最大偏差很小,验证了模型的有效性。     

超磁致伸缩薄膜悬臂梁的非线性振动特性试验研究

超磁致伸缩薄膜(GMF)的振动特性是决定其驱动性能的重要因素。针对研制出的Cu基双层GMF(TbDyFe/Cu/SmFe),测量并分析了其磁致回线、矫顽力等磁化特性。在此基础上,采用基于激光位移传感器的薄膜振动特性试验装置,研究了Cu基GMF悬臂梁在低频低磁场下的振动特性,结果表明,Cu基GMF悬臂梁具有10阶超谐波共振特性,二、三阶超谐波共振的峰峰值均在35μm以上,且其一阶主共振呈现明显的"软弹簧"特征。最后,给出了直流偏置磁场和交流驱动磁场对Cu基GMF共振频率和振动幅值等驱动性能的影响规律,为设计开发低频低磁场驱动的GMF微执行器和微传感器提供试验参考。     

导电聚合物驱动器弯曲特性的研究及有限元分析

针对自制的弯曲型导电聚合物驱动器搭建试验系统,研究其弯曲运动特性。对驱动器施加(0~1 V)低电压,测量其顶端弯曲变形量;分析驱动器弯曲位移与电压的关系,建立了电压与应变的函数关系式。试验结果表明,电压与垂直方向位移成线性关系,电压为1 V时偏转位移可达到驱动器长度的一半,并且得到电压与应变的比例因子。参照驱动器的工作原理,对比驱动器的真实应变与热应变,建立热-结构耦合模型,并通过有限元法(FEM)求解该模型。通过对比仿真与试验结果,得出该耦合模型可以有效的模拟驱动器弯曲运动。     

压电驱动串级菱形位移放大微定位平台的设计

针对二维微定位平台普遍具有体积大、行程小的问题,提出一种串级菱形位移放大机构,设计了嵌套式压电驱动二维微定位平台。根据平台运动原理建立了平台的力学模型并进行放大比分析;对平台进行静态特性分析,研究平台所受驱动力与输出位移的关系并进行理论与仿真对比,测试平台的输出位移特性;对平台进行动态特性分析,建立平台的动力学模型,研究平台闭环阶跃响应进行仿真与实验对比;对平台进行闭环最小位移分辨率、重复定位精度和平台运动偏转误差分析。实验结果表明,该压电驱动串级菱形位移放大微定位平台具有大行程、体积小、精度高的特点。     

一种微裂纹摩擦阻尼分析模型

由微裂纹引起的摩擦阻尼普遍存在于各种材料结构中。研究了由微裂纹摩擦引起的能量耗散与摩擦阻尼。建立了包含微裂纹的单胞模型,基于单胞模型建立了包含任意裂纹角度的悬臂梁模型,分析了含有微裂纹的悬臂梁的能量耗散、摩擦阻尼,并与数值仿真结果进行了对比。结果显示,能量耗散、摩擦阻尼都与裂纹的密度有着很大的关系,所建立的理论模型与数值模拟结果有较好的一致性。     

大柔性灵巧手指弯曲仿真研究

针对传统机器人灵巧手弯曲柔性度不足等问题,提出了一种新型气动柔性弯曲关节—大柔性灵巧手指。为验证大柔性灵巧手指转角静态模型的正确性,首先,将该手指等效为悬臂梁,然后,通过ANSYS仿真软件模拟了手指在不同内腔气压下的弯曲模型,建立了手指弯曲角度与内腔压力的仿真关系曲线,结果显示该仿真关系曲线与手指转角静态模型曲线基本吻合;最后,通过实验研究得到了手指实际弯曲角度与实际内腔压力之间的数据关系,并通过Matlab软件整理仿真与实验数据得出了理论弯曲曲线与实际充放气曲线对比图。研究结果表明,该大柔性灵巧手指转角静态模型是正确的,这可为以后手指的进一步研究奠定一定的理论基础。     

超磁致伸缩泵悬臂梁阀流固耦合特性分析

提出了一种采用悬臂梁式吸排油阀的超磁致伸缩液压泵结构,针对泵用悬臂梁阀工作时的流固耦合特性,基于单自由度振动理论与流固耦合作用下阀片振动参数等效计算原则,对超磁致伸缩泵悬臂梁被动阀进行了线性化数学建模,并在MATLAB/Simulink环境下进行了仿真研究。为研究其非线性特性,基于流固耦合力学原理,建立了超磁致伸缩泵悬臂梁被动阀流固耦合数值模型,并利用Comsol-CFD对其工作特性进行了数值求解。然后依据求解结果进行了深入分析,得到了阀片主要参数对泵性能的影响规律,为超磁致伸缩泵悬臂梁被动阀的主要结构参数的设计与优化提供相关依据。最后,通过不同厚度悬臂梁阀片在流固耦合作用下开启位移的线性理论结果与非线性数值结果的对比完成了模型验证,实验测试了超磁致伸缩泵的流量特性与阻断压力特性,得到了该泵峰值驱动频率为300Hz左右。     

基于形状记忆合金的微小型光热驱动马达

在分析了形状记忆合金双程记忆效应原理的基础上,采用铜锌铝双向记忆合金片,设计并加工制作了两种微小型光热驱动马达,对其进行了驱动实验研究.研究结果表明,用输出波长为1064nm的YAG脉冲激光作为光热驱动马达的驱动源,在适当的输出功率和频率下,棘轮棘爪型光热驱动马达可获得较精确的步距,齿轮传动型光热驱动马达可获得较高的转...     

基于压电悬臂梁的驱动器与传感器性能分析的精确解析模型

三层压电梁结构在电场作用下发生变形后会产生诱发电势,进而改变材料整体电势分布,本文考虑此变形和电势耦合效应,基于欧拉-伯努利梁变形理论,推导出能够准确预测压电智能悬臂梁传感器与驱动器性能的解析表达式。考虑压电梁结构弯曲变形后产生的电场影响,建立了三层压电梁结构的控制方程;建立了压电梁作为驱动器时端部输出位移、驱动力矩与输入电压之间联系的解析表达式,以及作为传感器时输出电压与端部作用力之间联系的解析表达式。通过与ANSYS有限元模拟结果以及传统的驱动器和传感器性能表达式的对比,验证了所推导的解析表达式的准确性。     

球面两自由度冗余驱动并联机器人弹性动力学分析

建立了球面2-DOF冗余驱动并联机器人弹性动力学模型。将机器人系统的6个空间弯杆划分为6个子结构,考虑空间弯杆的弯曲、拉伸和扭转变形,基于有限元法求出了各子结构的弹性动力学模型;根据转动副的约束特点以及各分支与输出轴的变形协调约束关系,将子结构组装成3个分支并进行装配,得到系统的弹性动力学模型;将理论计算与有限元仿真得到的机构在初始位置时的固有频率进行对比,验证了系统弹性动力学模型的正确性。通过对比分析球面2-DOF非冗余与冗余驱动并联机器人输出端的动态响应,验证了冗余驱动的引入可以明显减小机器人输出端的最大弹性位移。研究结果为含有空间弯杆并联机器人的结构优化设计以及振动分析提供了理论依据。