基于有限元模拟的薄膜热流计结构设计及优化

精确的热流测量对航空航天领域发动机设计及使用过程至关重要.薄膜热流计以其体积小、热容量小、干扰小、不破坏部件表面气流等显著优势,成为发动机热端部件表面热流测量的新方法.针对传统工程经验设计薄膜热流计精确度不高且迭代耗时长的缺点,基于有限元仿真模拟方法,建立了一种薄膜热流计有限元分析模型,综合分析了热流密度、热阻层厚度、热电堆厚度等因素对热流计冷热结点温度梯度的影响,提出薄膜热流计优化思路.分析结果表明,优化后的薄膜热流计具有更出色的热学性能与电学性能.     

MEMS薄膜热流传感器研制

基于微加工技术设计制备了一种微机电系统(MEMS)薄膜热流传感器。采用COMSOL软件,对不同结构参数MEMS薄膜热流计进行仿真模拟,通过对仿真结果对比和分析,优化热流传感器的设计参数。根据优化的设计参数利用MEMS工艺制备薄膜热流计。搭建了标定系统,对所制备的MEMS薄膜热流计进行性能测试和标定。实验结果表明:薄膜热流计的电压输出响应曲线的变化趋势和仿真结果一致,此外,薄膜热流计的输出电压和热流密度呈良好的线性关系。     

电容式微超声传感器的电极参数优化设计

建立了电容式微超声传感器(cMUT)的有限元模型,通过对模型进行静电-结构耦合仿真分析,研究了金属电极的结构参数包括电极面积、电极厚度、电极材料以及电极相对与薄膜的位置等参数的变化对传感器性能的影响.分析了电极参数与传感器吸合电压,静态电容,机电转换比以及机电耦合系数的关系,最后得到了优化的电极结构参数,即金属电极面积为传感器振动薄膜面积的一半时,传感器具有较低的吸合电压和较大带宽值及机电耦合系数.     

基于虚拟仪器的火炮振动测试系统

火炮振动属典型的随机冲击振动,不仅严重影响着设计精度,对部件寿命也有相当影响.研究火炮的振动,对提高火炮工作寿命和工作可靠性,具有十分重要的意义.把虚拟仪器的概念引入火炮振动测试系统,是对传统的火炮振动测试系统的改进和提高,能够得到高的测量精度和稳定性.     

机匣参数对双转子航空发动机整机动力学特性的影响分析

以某航空发动机带机匣双转子试验器为参考,分别采用截锥壳元素法和Timoshenko梁理论对其机匣和双转子系统进行了有限元建模,得到了试验器的整机有限元模型.研究了机匣参数对双转子航空发动机整机动力学特性的影响.研究结果表明:随机匣-转子质量比的增大,机匣的振动先减小后增大,从优化整机振动响应角度出发存在最佳质量比,当机匣-转子质量比约等于0.45时,整机系统的振动最小;采用不同材料的机匣对整机系统的临界转速影响不大,但对整机系统振动具有一定影响,当机匣采用合金钢时,整机系统的振动最小,采用铝合金时,整机系统的振动最大.     

基于发动机测试的便携式振动分析仪

针对发动机测试,本文设计了一种便携式振动分析仪,基于柔性测试技术对测试系统的追求,具有可靠性、精确性、扩展性、适应性和灵活性五大方面特性,可用于飞机装机的各类发动机静态、动态振动参数的测试与分析。     

变频器机柜振动特性有限元分析和试验验证

根据电子设备结构振动试验标准的要求,利用ANSYS建立变频器机柜的有限元模型,获得结构的模态频率和冲击载荷下的结构响应,并与试验结果对比,验证变频器机柜有限元模型的可靠性。分析变频器机柜的振动特性,结果表明：变频器机柜顶部减振器安装位置受到的冲击能量较大,机柜内部的冲击能量较小,机柜内设备可得到有效防护。     

车辆悬架减震优化设计方法仿真

车辆在不同路况和不同车速等情况下,悬架系统弹性元件受到的冲击大小差异很大,无法形成固定的振动规则,振动剧烈程度与阻尼系数无法关联.传统车辆悬架减振设计方法,采用固定阻尼系数来减少弹性元件的振动,没有考虑不同路况及车速产生的振动剧烈程度不同的问题,减振效果较差.提出一种车辆悬架减震优化有限元设计方法,分析车辆悬架减震器的功能和结构,塑造车辆悬架减震优化模型,采用ANSYS有限元软件中一阶优化方法进行车辆悬架减振优化设计,以悬架减震器阻尼力为优化目标,以减震器阻尼系数为优化设计变量,以静强度和最大减震强度为约束条件,对车辆悬架减震进行有限元优化设计,确保车辆车身振动迅速衰弱,使车身能够很快达到一种稳定状态.实验结果表明,上述方法使车辆减震阻尼力和最大减震强度都优于传统方法,具有较高的稳定性和控制精度.     

大过载真空传感器结构优化设计

针对大过载(700～800倍)使得真空传感器的电容薄膜电极发生塑性变形,导致传感器失效的问题,根据动量定理,在真空传感器的气体输入端增设阻尼管及一定体积的容腔,延缓气团冲击电容薄膜电极的时间,达到保护电容薄膜电极的目的。通过有限元仿真分析,初步确定阻尼片的排列方式及阻尼孔的分布,并将优化后的真空传感器在真空测试装置中进行模拟试验,验证结构优化的有效性,并得到阻尼片的最优排列及与之匹配的容腔体积。     

某型冰箱冷凝器的振动断裂分析

针对某型冰箱冷凝器振动测试后冷凝管出现多处断裂破坏的问题,根据冷凝器所属的换热器类型提取设备及配套连接件的组合结构特征,建立可靠有效的有限元分析模型;利用有限元计算分析软件对部件进行结构模态分析,模拟扫频振动试验过程;根据有限元分析验证结构振动断裂结果,结合实际断裂部位特征与相连接冷却杆的结构变形,分析断裂发生的可能性;最后给出有效避免断裂的方法,用于优化振动测试方案.     

集成微流体测控芯片的研制

设计、研制了集成有微泵、微沟道、微流量传感器、温度传感器的微流体测控芯片.采用有限元软件ANSYS模拟分析了将其作为冷却芯片时微沟道的散热作用,分析确定了芯片上各元件的结构.该集成芯片为硅-玻璃结构,在硅片上,利用ICP法刻蚀无阀微泵泵体和微沟道;在7740玻璃片上,以溅射、剥离法制作微流量和温度传感器;图形精确对准后硅/玻璃以静电键合方法封接.无阀微泵采用压电元件驱动.测试结果表明:集成芯片具有冷却功能,循环水的流速最大可达25.4mm/s.     

薄膜高温热流测量技术研究

薄膜热流传感器具有响应时间快,体积小等优势,可用于航空、航天等领域高速飞行器表面短时间的高温热流瞬态测量。热流传感器原理基于不同热障层薄膜下薄膜热电偶温度变化量的大小,通过离子束溅射镀膜工艺成功制备快速响应薄膜高温热流传感器。试验结果表明:该传感器热响应时间可达0.1s,温度可达900℃。     

用于直接质量流量测量的U型管的频率特性

作为直接质量流量测量的敏感单元,悬臂的Ｕ型结构的弹性弯管是基本型。利用Ｕ型结构的弹性弯管振动的有限元模型,研究了它的频率特性。给出了Ｕ型管在不同的圆弧半径和直段长度比值下,一、二阶弯曲振动固有频率的变化规律。依最低频率点优化设计了Ｕ型管的结构参数。为开发和研制该类直接质量流量传感器提供了一定的理论依据。     

两种结构MEMS磁场传感器的研究

研究了两种结构的谐振式磁场传感器,检测在磁场作用下梁的振动幅度,来实现磁场的测量。首先介绍了传感器的工作原理,并用振动理论对传感器的受力及响应进行了分析,接着用有限元软件建立结构模型,对振动幅度进行了仿真。该MEMS磁场传感器采用标准的CMOS工艺加上后处理来实现。最后用多普勒仪对传感器的振动幅度进行测试,实验结果与理论分析一致,并对两种传感器性能进行比较。所研究的两种传感器结构简单,测试方便,可用于对mT级的磁场进行测试。     

爆炸冲击条件下的加速度传感器结构分析

针对加速度传感器在爆炸与冲击测试中的应用,从理论与有限元仿真出发,分析传感器结构的静态响应与冲击响应.在15.4×104gn的静态载荷下,传感器结构最大应力超过材料的许用应力,将会发生结构断裂.在静态载荷下,加速度传感器在15.4×104gn的冲击加速度载荷下结构最大应力超过材料的许用应力,将会发生结构断裂.在加速度传感器的工作方向上施加幅值为15×104gn,半周期为5μs、10μs、20μs、30μs、40μs的半正弦加速度冲击载荷.在幅值为15×104gn、半周期为30μs的冲击载荷下,传感器的固定端处应力为334MPa,将会使传感器断裂失效.在幅值为15×104gn、半周期为5μs、10μs、20μs的冲击载荷下,固定端处应力超过材料许用应力,将也会发生结构断裂.悬臂梁在半周期为5μs、10μs、20μs的冲击下,将会出现断裂.大体上,冲击载荷的周期越小,固定端的应力越大集中越严重.由于传感器固有周期为9.5μs,加速度传感器在半周期为10μs的冲击载荷下出现谐振,固定端处应力变大集中加剧.分析加速度传感器在冲击载荷下的结构响应为传感器的结构设计与具体应用时的可靠性分析提供了理论依据.     

供能于无线传感器网络的微型振动发电机结构性能研究

应用微机电加工技术制造的振动发电机可以无限、持续地为无线传感器网络提供能源。为了提高发电能力,通过有限元仿真与实验分析了单压电片型式、双压电片并联型式和双压电片串联型式振动发电机的结构参数对发电能力的影响规律。结果表明,厚度比小的双压电片串联型式发电机输出开路电压较高;存在某一最优负载,在给定的激励频率下,使得输出功率最大;相同材料、结构参数下,双压电片串联和双压电片并联型式发电机的输出功率基本相同且高于单压电片型式发电机。     

An Unstructured Finite Volume Approach for Structural Dynamics in Response to Fluid Motions

A new cell-vortex unstructured finite volume method for structural dynamics is assessed for simulations of structural dynamics in response to fluid motions. A robust implicit dual-time stepping method is employed to obtain time accurate solutions. The resulting system of algebraic equations is matrix-free and allows solid elements to include structure thickness, inertia, and structural stresses for accurate predictions of structural responses and stress distributions. The method is coupled with a fluid dynamics solver for fluid-structure interaction, providing a viable alternative to the finite element method for structural dynamics calculations. A mesh sensitivity test indicates that the finite volume method is at least of second-order accuracy. The method is validated by the problem of vortex-induced vibration of an elastic plate with different initial conditions and material properties. The results are in good agreement with existing numerical data and analytical solutions. The method is then applied to simulate a channel flow with an elastic wall. The effects of wall inertia and structural stresses on the fluid flow are investigated.     

刚挠印制板技术在军用传感器中的应用

将刚挠结合印制板的设计理念引入到航天产品的电路板结构设计中,四块刚性印制板和三块挠性板进行一体化设计,实现了接口的高可靠性连接,并极大地节省了传感器的内部空间,便于传感器微型化。刚性印制板采用四层板设计,挠性板采用双层板设计,实现了小电路板上含有多种信号通道的目的。通过振动试验、加速度试验、冲击试验、高低温循环试验等试验证明了高可靠性刚挠印制板可以应用于航天器等军用型号。