典型微管道流场数值模拟与Micro-PIV检测研究

针对微流体器件中几种典型微管道进行了理论与试验研究,采用CFD流场仿真技术对压力驱动方式下90°折管、突然扩散管、弯管三种流道的流态进行数值模拟,重点介绍了电渗驱动的流场仿真技术,并以十字交叉微管道为对象进行电渗流场仿真;同时采用玻璃微加工工艺制造了上述四种微流道模型,并通过Micro-PIV技术对其相应条件下的流场进行试验测试,并定量对比与分析了仿真与试验结果,结论显示Micro-PIV是适合于微米级流场检测的最有效试验手段之一,同时通过试验也验证了N-S方程在微米级流场数值计算中是依然适用的。     

Integrated numerical analysis to evaluate replication characteristics of micro channels in a locally heated mold by selective induction

High-frequency induction heating is an efficient way to heat mold surfaces by electromagnetic induction using a non-contact procedure. Due to its ability to rapidly heat and cool mold surfaces, this method has been applied recently to the injection molding of micro/nano structures. The present study investigates a localized heating method involving the selective use of mold materials to enhance the heating efficiency of high-frequency induction heating. A composite injection mold consisting of ferromagnetic material and paramagnetic material was used for localized induction heating. The feasibility of this localized heating method was investigated through numerical analyses in terms of its heating efficiency for localized mold surfaces and the resulting flow characteristics in micro channels. To take into account the effects of thermal boundary conditions of localized induction heating, a fully integrated numerical analysis effectively connecting electromagnetic field calculation, heat transfer analysis, and injection molding simulation was carried out. The proposed integrated simulation was applied to the injection molding of a rectangular strip containing micro channels, and the resulting mold heating capacity and replication characteristics of the micro channels were compared with experimental findings in order to verify the validity of the proposed simulation.     

微铣削中考虑刀具跳动的瞬时切厚解析计算方法

通过研究刀具实际切削过程中的余摆线轨迹及其影响,提出一种新的瞬时切厚解析计算方法,并针对两齿、四齿的情况给出瞬时切厚的具体计算公式。在两齿和四齿铣槽工况下,分析刀具跳动量和跳动角度对各齿切削过程的影响。该方法考虑刀具的综合径向跳动(包括主轴跳动,刀具制造安装误差等综合形成的径向跳动值),适用于微铣削中任意齿数刀具瞬时切厚的计算。通过与宏观铣削中的传统切厚计算公式、BAO模型和Newton-Raphson等数值法对比,量化指出了微细铣削加工与传统宏观铣削加工的一些不同,同时验证了提出的方法具有计算简洁、精度高和通用性强的优势。基于该模型进行了微铣削铣槽试验中切削力的预测,预测结果和试验结果相符良好,验证了模型的正确性和实用意义。     

颗粒微切削表面创成的分子动力学仿真研究

颗粒微切削的性能和行为直接影响工件的表面质量,从材料去除规律和能量变化规律的角度对颗粒微切削作用的表面创成机理进行研究,分别采用EAM势、Morse势、Tersoff势描述单晶铜原子间、工件与颗粒、颗粒刀具原子间的作用力。分析纳米尺度下颗粒切削方向、颗粒切削速度、系综温度对颗粒微切削作用,通过探讨体系动能、体系势能、体系总能对工件原子运动规律的影响及颗粒微切削加工前后键角的变化形态,为阐述颗粒微切削作用的表面创成机理提供理论依据。研究结果表明正交切削比斜切削能获得更好的表面质量,颗粒速度与能量不存在线性关系,颗粒温度对体系能量有直接影响。通过分子动力学数值模拟得到体系的结构信息及相关热力学性质并对分子动力学的微观统计量进行分析计算,寻找合适的加工参数,为颗粒微切削加工工艺的发展提供技术支持。     

簧片式硅弹性膜应力分布的计算和加速度传感器的优化设计

为了提高我们已研制成功的新型簧片式硅加速度传感器的性能,用有限元法计算了不同形状和尺寸的质量块在４０ｇ值加速度作用下产生的应力分布,使我们优选了最佳的质量块设计方案,显著地提高了灵敏度,取得了与理论计算符合得很好的实验结果。     

Variation risk analysis: MEMS fabrication tolerance for a micro CMM probe

This paper describes a methodology of variation risk analysis for microsystems using analytical modelling and simulation, a key characteristic (KC) method and statistical analysis considering MEMS fabrication tolerances. This methodology is applied to an innovative design for a micro co-ordinate measuring machine (CMM) probe utilising piezoelectric actuation and sensing currently being developed at the National Physical Laboratory. Analytical modelling is used to investigate the individual effects of dimensional parameters on the sensors’ open-circuit voltage output, which is a KC of the micro CMM probe. A computer simulation is performed using the finite-element method and compared with the analytical model. The KC variation is predicted and the variation contribution of the probe manufacturing processes is presented. This KC is mainly influenced by the thickness of the piezoelectric layer associated with the composite sol gel deposition process. Variation risk analysis results can be used to implement a variation risk mitigation strategy.     

采用过电铸工艺制造金属微细阵列网板

针对制作尺度10μm的超小微细阵列网板非常困难的问题,提出了采用过电铸工艺制造超小尺寸微细阵列网板的方法。建立了过电铸工艺过程的电场模型,利用有限元分析技术对过电铸工艺过程进行模拟仿真。选取优化的工艺参数(烘胶120℃/60min,曝光3000mJ/cm2,显影2min等)利用光刻制作了高度为50μm、直径为50μm的AZEXP125nXT-10A光刻胶群柱结构,以此胶膜结构作为模具进行了过电铸工艺实验,并与仿真结果进行对比,结果证明了有限元仿真的正确性。最后,通过过电铸缩孔2h获得了厚度达70μm,孔径为4μm的微细阵列网板结构。实验表明,过电铸工艺是一种低廉、安全、可批量生产的制作超小阵列网板的方法。     

静电场辅助的微压印光刻技术

介绍了一种静电场辅助的新型微压印光刻技术,并对其工艺过程进行了深入的理论研究。首先,采用数值仿真软件COMSOL~(TM) Multiphysics,建立了静电场辅助的压印光刻瞬态仿真分析模型,讨论了不同时域微结构的演化过程。然后,详细分析了微结构的成型与仿真实验参数的定性关系,发现:适当地减小极板间距、模板凸起结构周期,同时增加模板的凸起高度、初始聚合物薄膜厚度和电压有助于微纳结构的成型。最后,通过仿真实验参数优化,得到了带有31μm中空结构的球冠微结构。与传统压印方法相比,静电场辅助的微压印技术工艺过程简单且成本较低,能够广泛应用于微电子机械系统、光子学、遗传学和组织系统等。     

Finite element simulation of deformation processes of micro-components

The aim of this paper is to improve the understanding of deformation of micro medical needle and thread during assembly and then to develop an economical and flexible deformation method. Therefore, the swaging process is computationally simulated with the finite element method in this paper. A commercially available explicit nonlinear finite element analysis code, LS-Dyna, is used to model the 3-D deformation and contact problem. As the firmness of the assembly on the needle depends on the contact force and friction, the contact and the slide between the needle and thread are taken into account in the simulation. The general surface-to-surface contact algorithm (STS) is used to simulate the contact. The paper provides an insight into the deformation of the micro products.     

基于振动声调制的金属微裂纹检测方法

为克服传统线性超声无法检测微纳级宽度裂纹的缺点,开展了振动声调制法检测金属微裂纹的研究。用有限元分析软件ABAQUS开展了仿真研究,并验证了该方法的有效性,为实验参数设置提供了参考。搭建振动声调制检测系统,分析了不同长度微裂纹的调制特性,提出了基于振动声调制信号的信息熵定量表征方法。结果表明,存在微裂纹的铝板的振动声调制信号中的旁瓣信号明显,且检测信号的信息熵随裂纹长度单调增大,可作为振动声调制法检测微裂纹长度的特征参数。     

在液体中运动的新型微机器人动力学模型研究

研究一种采用智能型材料驱动的、在液体中运动的新型微机器人。分析了微机器人在液体中运动时驱动翼产生的推进力和所受到的阻力，通过实验测量了微机器人实际所受到的阻力，建立了微机器人的动力学模型，并进行了相关仿真。实验和仿真表明：微机器人在液体中运动受到的阻力不仅包括迎流阻力，还包括不能忽略的液体摩擦阻力；微机器人的运动速度随着驱动翼动作频率的增大而逐步增大，但过大的驱动频率将导致微机器人不能在液体中运动；此外，液体环境对微机器人的运动具有一定的影响，但影响效果有限。     

MEMS微梁粘附“突陷”静力分析

“突陷”现象严重影响着MEMS微梁性能。根据Hamaker微观连续介质修正理论,建立了MEMS微梁同基座粘附力包含斥力的数学模型;分析了微梁的静力平衡关系,发现引起微梁“突陷”的本质是弹性力同粘附力的不稳定平衡问题;通过增加微梁刚度,提出一种控制微梁“突陷”发生的方法,并给出仿真结果。     

用于微量化学分析芯片的微型无阀泵流动特性分析与测试

从理论计算、流场仿真和试验三方面研究了用于微流控化学分析芯片的微型无阀泵流动特性 ,初步建立了微型无阀泵流道结构的数学模型 ,重点讨论了结构参数的选取原则及相应的流动阻尼系数的计算方法 ,采用 Matlab针对该数学模型进行了数值计算 ,并进行了 CFD仿真对计算结果进行对比及修正 ,最后通过试验验证了数值计算与仿真的可靠性 ,为微型无阀泵参数化设计及优化提供了理论依据及经验曲线。     

计入粗糙度的液压缸仿生微织构耦合效应研究

在间隙密封液压缸缸筒的内表面构造仿生菱形微织构,研究计入液压缸摩擦副表面粗糙度与表面微织构对液压缸缸筒内表面摩擦润滑性能的耦合影响。利用等效流量法求解表面微织构与表面粗糙度的耦合效应,同时以液压缸常用材料45钢为试件开展摩擦学试验,并对试验结果和仿真结果进行比较。研究结果表明:液压缸摩擦副的表面粗糙度与表面微织构耦合作用非常明显,合适的表面粗糙度和表面微织构尺寸,可使液压缸缸筒内表面从混合润滑状态转变为流体润滑状态,从而增大缸筒内表面的动压润滑效应;缸筒内表面的菱形微织构形貌存在最优组合,使得液压缸缸筒内表面的摩擦因数最小、润滑性能最好。     

Analysis of micro-scale EDM process

A micro EDM model is proposed along with numeric simulation and experimental validation. The work is aimed at relating input/output parameters towards the establishment of a possible process model. It makes use of dimensionless groups related and relevant to micro electro discharges and their effect on metal removal during the process. The reasons for their selection are discussed and problems related to micro discharges are explained. An electric circuit used for the controlling of the discharge is presented and explained. A specific output is used as an example for the model, as suggested.     

硅微谐振式加速度计驱动电路参数优化

将遗传算法与低频模型相结合,提出了一种快捷的驱动电路设计方法,用于提高低功耗硅微谐振式加速度计模拟驱动电路的瞬态性能,并缩短设计周期。该方法通过对闭环驱动电路模型进行高低频解耦,提取闭环驱动电路的低频模型;将提取的低频模型与遗传算法相结合,给出完整的优化方法,得到了满足各项实际约束的最优电路参数。针对某型硅微谐振式加速度计,建立了SIMULINK低频仿真模型,根据实际情况制定了约束条件。应用该方法求出了系统启动速度最快的PI控制器的参数,并对其进行了实验验证。起振实验结果表明,采用优化参数可使超调量小于50%,相位误差小于5°,1%调节时间从优化前的0.42 s减少到优化后的0.19 s,实验与仿真误差小于5%。得到的结果证明提出的方法正确有效,具有可实施性。     

压阻式微加速度计动态特性与阻尼的关系研究

采用微机械加工工艺制作的压阻式微加速度计在测试过程中经常出现动态特性欠佳甚至于结构损坏的现象，在压阻式微加速度计中，合理设计阻尼参数有助于改善传感器的动态特性。将压阻式微加速度计简化为二阶模型，定性分析了系统动态特性与阻尼之间的关系，研究了压阻式微加速度计结构中阻尼的设计和控制方法，仿真、比较了带不同阻尼参数传感器系统的动态特性，并通过实验验证了仿真分析的正确性。     

微细胞皿注塑模具变温系统设计

采用微细电火花技术铣削加工了细胞皿模具型腔,以聚丙烯(PP)为例进行了成形工艺数值模拟分析,结果表明,注射速率、模具温度、熔体温度对充模过程影响较大,模具温度需要达到120℃型腔才能充满。提出了油水电相结合的变模温技术,变模温实验结果表明,型腔温度从80℃变化到120℃大约需要6min。填充实验表明,油水电相结合的变模温技术对实现微注塑模具成形过程的变模温是可行的。     

针对脉冲发电机突变负载的微型燃气轮机工作性能研究

为分析有动力涡轮的微型燃气轮机在带动脉冲发电机中的性能,建立带动力涡轮的微型燃气轮机数学模型.因有动力涡轮的微型燃机是由动力涡轮驱动负载,其负载变化对燃机核心机影响不大,但为了使动力段转速恢复稳定而采用的改变供油量方法会对核心机产生很大影响.基于所建立的微型燃气轮机数学模型对其进行仿真计算,研究了该燃机设计点性能参数、...     

微切削毛刺形成机理及研究进展综述

概述了微切削毛刺的形态、分类及其生成机理;阐述了微切削毛刺的仿真分析研究进展;在微切削毛刺的试验研究进展方面,分析了切削工艺参数、刀具几何、切削方式和辅助工艺对微切削毛刺的影响;介绍了几种常用复合材料加工毛刺的研究现状;根据毛刺的成形机理和加工方式,综述了去除毛刺的工艺方法与设备,提出了去毛刺装置的性能要求;最后总结了微细毛刺研究方面的不足,并指出了将来研究的方向。