力电耦合下MEMS微梁变形行为的结构参数影响研究

MEMS和其它微系统产品中许多致动器利用静电力作为驱动力.在许多微型电动机和致动器的设计中,分析静电力作用下微梁结构参数如悬臂梁的厚度对微梁挠度的影响是必要的.基于物理环境法顺序耦合法来分析悬臂梁的力电耦合,运用ANSYS软件对微悬臂梁模型进行机电耦合分析,讨论了在其他结构参数不变的情况下,微梁厚度与最大变形量的变化关系,并通过拟合曲线进一步探讨了微梁厚度对结构驱动性能的影响.     

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。     

应变梯度对静电力驱动微梁吸合电压的影响

基于应变梯度理论,建立静电力驱动微梁的控制方程,通过瑞利-利兹法对微梁的控制方程进行降阶,得到一组非线性代数方程。利用牛顿-拉菲森法求解该方程组,确定微梁的吸合电压,分析应变梯度对吸合电压的影响规律。结果表明,当微梁的无量纲厚度减小时,无量纲吸合电压将显著增大,表现出明显的尺寸效应;随着材料内禀特征长度的增加,无量纲吸合电压的尺寸效应也越显著,说明应变梯度对微梁的吸合电压影响显著。随着微梁无量纲厚度的减小,残余应力对无量纲吸合电压影响显著,可以减弱应变梯度对无量纲吸合电压的影响;同时应变梯度可以显著降低中面伸长对吸合电压的影响。分析结果可为微机电系统中微梁的设计提供参考。     

求解静电驱动微梁变形的数值与解析方法

给出了一种静电力作用下微悬臂梁控制方程的数值求解方法,提出了求解该模型的近似解析式和修正解析式,并采用模态叠加法计算微梁的动响应。结果表明,修正解析式、数值算法和动响应方法计算的微梁变形结果是一致的。同时也揭示了微梁振动响应周期与驱动电压成正比、动态临界电压低于静态临界电压等相关特性。     

等应力悬臂梁压电陶瓷单晶片的发电性能研究

为了提高悬臂梁压电陶瓷单晶片的发电性能,根据等强度梁理论,对悬臂梁压电陶瓷单晶片结构进行优化设计,得到等应力悬臂梁压电陶瓷单晶片。通过ANSYS仿真和实验研究,对比分析等应力悬臂梁压电陶瓷单晶片和非等应力悬臂梁压电陶瓷单晶片发电性能,结果表明:等应力悬臂梁压电陶瓷单晶片的发电性能更好,在相同的激励条件下,其单位面积输出的电压更高。     

压电多层膜悬臂梁受力的有限元仿真

采用有限元软件ABAQUS6.14对压电多层膜悬臂梁进行了仿真模拟,在自由端受集中载荷下,预测薄膜结构对悬臂梁曲率半径和自由端及中心固定端等效应力的影响.结果 表明自由端受到的载荷越大,则各层所对应的自由端和中心固定端的等效应力越大,而中性层曲率半径则越小.薄膜厚度越厚,自由端和固定端各层的等效应力越小,而各层的中性层曲率半径越大.同时将数值解与解析解进行比较,以验证有限元模型的正确性.仿真结果与解析解吻合良好,为后续MEMS微悬臂梁器件的结构优化和加工工艺提供可靠依据.     

带孔纳米单晶铜悬臂梁弯曲的分子动力学模拟

应用分子动力学方法模拟了带孔纳米单晶铜悬臂梁的弯曲过程。通过一端固定另一端施加横向作用力驱使原子运动,得到纳米单晶铜悬臂梁弯曲的变形图。对其不同于宏观连续介质理论的位移-载荷曲线进行分析,给出了合理的解释。结果表明:纳米尺度下的微缺陷对纳米单晶铜悬臂梁的性能具有明显的影响;尺寸效应和表面效应的影响,以及位错滑移和弛豫的综合作用,使得纳米单晶铜悬臂梁在纳米尺度下表现出与宏观尺度下不同的力学特性。     

不锈钢基压电厚膜微悬臂梁传感器的制作与测试

制备了不锈钢基底压电厚膜微悬臂梁传感器。利用精密激光加工技术制备了厚度为100μm的不锈钢微悬臂梁基底,由于不锈钢具有良好的导电性,可以作微悬臂梁传感器的下电极,采用模板辅助电雾化沉积技术在不锈钢微悬臂梁基底上制备了厚度为20μm的致密PZT厚膜,利用磁控溅射技术制备了30/200 nm厚的Ti/Pt上电极,最终形成了压电厚膜微悬臂梁传感器。多普勒激光测振实验表明,在20 V的激励电压下,压电厚膜微悬臂梁谐振频率为19 kHz。     

双晶压电悬臂梁发电装置的建模与有限元仿真分析

基于压电原理和热力学平衡方程,建立了双晶压电悬臂梁的数学模型,并运用有限元分析软件ANSYS对双晶压电悬臂梁的结构进行了模态分析和谐响应分析,对梁的各个尺寸参数以及激励方式对输出电压的影响进行了静力分析,分析结果与数学模型的预测是一致的.研究表明:在梁的固有频率附近输出电压最大.在固定的激励条件下为提高双晶压电悬臂梁的放电能力,应该在保证可靠度和固有频率的前提下,尽量增加梁的长度、减小梁的宽度,并选取合适的金属板与压电陶瓷的厚度.     

基于静电力的可溯源微悬臂梁刚度标定方法

许多研究机构都建立了微纳力值测量系统,并达到了非常高的测量精度。但是,对微纳力值的传递却很少研究。采用无源悬臂梁作为微纳力值传递标准,提出基于静电力原理的"类参考梁法"悬臂梁刚度测量方法。该方法可准确且便捷地测量悬臂梁刚度,并将其溯源至长度、电压、电容等国际单位(SI)。应用类参考梁法,对刚度范围在1.45~91 N/m的悬臂梁刚度进行测试,相对方差均小于0.6%,结果表明,类参考梁法具有很好的稳定性。许多因素将影响测量结果,对导致测量误差的因素进行逐一分析。类参考梁法悬臂梁刚度测量合成不确定度低于5%,表明该方法具有可行性。类参考梁法有效改善了悬臂梁刚度测试的不确定度,在AFM高精度微纳力值测量中具有重要的意义。     

TiN薄膜的残余应力调控及力学性能研究

残余应力是制约物理气相沉积（Physical vapor deposition,PVD）硬质薄膜厚度的关键因素。采用多弧离子镀技术在高速钢基体上制备了厚度从3.7 m到15.5 m的TiN薄膜,结合曲率法和有限元法研究残余应力及结合性能随膜厚的变化规律。结果表明,随着膜厚的增加,基片弯曲程度加剧,而薄膜平均残余应力降低;膜层内残余应力的整体水平决定了界面切应力大小,薄膜结合性能随界面切应力的增加而降低。增加基体偏压、降低工作气压均导致薄膜内部残余应力的升高。当残余压应力较高时,TiN薄膜具有细小、致密的柱状晶结构,并呈现（111）择优取向,薄膜硬度及断裂韧度较高,耐磨性能良好。研究结果提示我们,通过残余应力的调控可提高硬质薄膜的力学特性。     

复合材料板与金属板榫槽粘接结合有限元分析

榫槽连接是航空结构中常用的一种连接形式。通过对金属板和复合材料板的榫槽粘接部位进行有限元计算，分析简单拉力作用下连接部位的应力分布以及金属板和复合材料板尺寸对最大等效应力的影响。通过比较发现，在所考察范围内榫槽长度、粘接层厚度和板宽度等因素对模型等效应力的影响并不十分显著，而两种材料板之间的相对厚度对最大等效应力影响较大，随着金属板厚度的增大，整个榫槽连接结构的最大等效应力有所减小。     

热辐射处理制备VC涂层的温度-应力场有限元分析

利用ANSYS有限元软件对热辐射处理制备VC(碳化钒)涂层进行建模,分析了涂层厚度、加热温度及加热时间对VC涂层温度场-应力场的影响规律。结果表明,不同温度下涂层沿x轴方向温度变化的趋势均呈上升趋势;涂层最高温度(837℃)与加热温度(850℃)相差15℃左右,温度差值约1.52%;不同厚度下温度的变化趋势均为递减,当厚度为6μm时,温度递减的趋势较平稳,未出现峰值,当涂层厚度增加时,应力值先增加然后减小,在厚度为6.3μm时发生突变,而后呈递增趋势;考虑应力、厚度因素对涂层性能的影响,涂层最佳厚度应为5～6μm。     

基于MEMS的压电微泵建模与优化

以压电驱动的无阀微泵为研究对象,根据扩张管/收缩管的压力损失系数和连续方程,建立了无阀微泵的理论模型。利用有限元分析软件,建立了无阀微泵有限元模型,进行了耦合场仿真分析。模拟并分析了不同边界条件下驱动电压、电压频率、泵膜厚度、压电薄膜厚度和压电材料对无阀微泵输出特性的影响。仿真结果显示,无阀微泵具有很好的整流特性,并且驱动电压越大,输出特性越好。在局部固定边界条件下,当压电薄膜上施加电场强度为500 V/mm的驱动电压时,存在最优的压电薄膜厚度,使得微泵的输出流量最大。研究结果为无阀微泵的优化设计提供了依据。     

基于圆弧限位的压电发电装置

提出一种基于圆弧限位压电发电装置来提高发电能力及可靠性。介绍了该装置的结构及工作原理,建立了其机电能量转换模型。通过模拟仿真分析获得了压电振子厚度比（基板与总厚度比）对最小限位圆弧半径及能量、及压电振子厚度和限位圆弧半径对电压及能量的影响规律。结果表明,最小限位圆弧半径随厚度比的增加而线性减小,且存在共同的最佳厚度比（0.35）使不同厚度压电振子的输出电压和能量最大;在最佳厚度比时,输出电压和能量随压电振子厚度增加或限位圆弧半径降低而增加。制作了一组限位圆弧半径不等的发电装置,并进行了相关试验测试。结果表明,压电振子的最大输出电压（变形量）仅与限位圆弧半径有关,故采用最小限位圆弧半径可同时获得最大的发电能力和较高的可靠性。     

Strength and failure analysis of inverse Z joints bonded with Vinylester Atlac 580 and Flexo Tix adhesives

In this study, the tensile strength and failure loads of the inverse Z joints were analyzed both experimentally and numerically by using two adhesives with different properties under a tensile load. Vinylester Atlac 580 and Flexo Tix were used as adhesives and the joints were prepared with two different composite materials. Initially, the mechanical properties of the adhesives were specified using bulk specimens. Then, the stress analyses were performed using three-dimensional finite element method (3-D FEM) via Ansys (V.10.0.1). The experimental results were compared with the numerical results and they were found quite reasonable. According to the test results, it can be seen that when the adherend thickness is increased, the stress increases as well. The most appropriate value of the adherend thickness is identified as t = 5 mm. Furthermore, it was observed that the lowest failure load was obtained at t = 3 mm the thickness for each specimen.     

7075铝合金板预拉伸工艺研究

采用直接热力耦合的方法,引入7075铝合金高温下的流变应力特征曲线,对不同厚度的7075铝合金板材在实际淬火工艺下的淬火过程进行数值模拟,揭示铝合金板材淬火残余应力分布规律;考虑铝合金板材拉伸过程中的实际夹持方式,对不同厚度7075铝合金板材实际拉伸过程进行数值模拟,分析对比拉伸后残余应力分布规律,并对拉伸工艺进行优化,确定最佳拉伸率和锯切量,揭示厚度变化对淬火残余应力、拉伸后残余应力以及锯切量的影响规律.利用钻孔法对实际拉伸的7075铝合金板材进行拉伸后残余应力的试验测试,数值模拟结果与试验测试结果相吻合.研究结果表明,随着厚度的增加,淬火残余应力、最佳拉伸率以及锯切量都相应增大,锯切量中过渡区长度为板材厚度的60％～70％.     

Influence of piezoceramic to fused silica plate thickness on the radii of curvature of piezoelectric bimorph mirror

Piezoelectric based bimorph mirrors (PBM) find extensive use in focusing of x-ray beams. Many optical instruments require use of PBM whose radii of curvature can be tuned precisely. The 100 mm and 300 mm PBMs were fabricated with varying piezoelectric to fused silica plate thicknesses. The radii of curvature of free standing mirrors were measured as a function of voltage and it was found to decrease with increasing voltage. For a given piezoelectric plate thickness, as the fused silica thickness increases, the radii of curvature was found to increase owing to increase in stiffness of the mirror. On the other hand, for a given fused silica plate thickness, when the piezoelectric plate thickness is increased, the radii of curvature are decreased for a given electric field, due to increase in generated force. This study brings out the influence of piezoceramic to fused silica plate thickness on the radii of curvature of PBM.     

钛合金切削加工表面残余应力有限元仿真

采用Johnson- Cook失效准则,建立了钛合金的二维正交切削热-机械应力耦合有限元仿真模型,分析计算了不同切削条件下已加工表面残余应力的分布规律.结果表明:已加工表面层残余应力为拉应力,沿着深度方向由拉应力逐渐过渡到压应力.表面残余应力随着切削速度的增大而增大,在一定的前角变化范围内,随着刀具前角的增大,表面残余拉应力先增大后减小,而随着刀具后角的增大却减小.各加工参数对残余应力层的厚度影响都很小.     

A measurement and testing method for lubrication regimes in gear transmissions

This paper describes the measurement and test results on oil film thickness conducted with a self-contained gear testing machine, with pandimensional power flow, using an improved method of discharge voltage measurement. A series of experiments were conducted in an attempt to measure and analyse the lubrication regimes of involute and double circular arc gear with different lubricants under various working conditions. A formula is provided for calculating oil film discharge voltage following the recorded output of a level recorder. Experimental results show that such an improved method for discharge voltage is suitable for measurement of film thickness, and that the results are in keeping with the minimum film thickness formula for a double circular arc gear deduced by the authors. The relations between film voltage and the gear parameters of load, rotation speed, lubricant and oil temperature, are also discussed. It is asserted that such a test system has more reliable performance and is more suitable for measuring and analysing the lubrication regimes of gear transmissions than are ordinary experimental systems.