硅微机械动平板表面粘附阻力

以MEMS动平板模型为研究对象,建立了微间隙动平板表面粘附阻力的理论模型,利用界面化学中表面能和粘附功的概念,推导出了光滑平板和开孔平板的表面粘附阻力公式,并探讨了影响表面粘附阻力的诸多因素。在此基础上还设计了拉簧-平板-弯簧器件以进行相应的表面粘附阻力实验研究。理论分析和实验验证均表明,表面粘附阻力随单位面积的液气界面表面能以及平板宽度的增大而增大,随着接触角的减小而增大,且平板工艺开孔的总宽度增大以及平板移动方向的孔数的增多将显著增大表面粘附阻力。     

平板微通道流动传热的粗糙元间距效应

微细尺度传热问题业已成为国际传热界的研究点,而壁面粗糙度对微细通道流动和传热特性有着重要影响。以粗糙平行平板微通道为研究对象,用三角形粗糙元模拟固体表面的粗糙度,通过采用CFD(computational fluid dynamics)流体固体共轭传热技术数值研究了粗糙元间距对平行平板微通道流动和传热特性的影响规律,同时研究了其间距对微通道流动的转捩雷诺数的影响规律;计算结果表明:随着三角形粗糙元间距的增大,粗糙平板微通道的阻力性能逐渐下降,层流向湍流转捩的雷诺数呈逐渐增大趋势,同时粗糙平板微通道的传热性能呈逐渐下降趋势。     

考虑微凸体水平距离分布及相互作用的结合面法向接触刚度建模

在涉及微凸体侧接触的粗糙表面接触建模过程中,通常需要假定微凸体之间侧接触的角度分布规律。提出一种考虑微凸体水平距离分布及相互作用的结合面法向接触刚度建模方法,该方法不再需要假定角度分布规律,而是基于首次发现的单个粗糙表面微凸体水平距离正态分布规律,根据统计学理论进行考虑微凸体相互作用的结合面法向接触刚度建模。对模型进行数字仿真发现：结合面法向接触刚度与接触载荷均随着微凸体水平距离标准差的减小而增大,并且考虑微凸体相互作用会使得结合面的法向接触刚度减小。结合面法向接触刚度随弹性模量的增大而减小,随材料硬度的增大而增大。通过有限元仿真结果与模态试验结果对比可知,基于模型的有限元仿真前三阶固有频率与试验所得结果基本吻合,并且误差相对GZQ模型更小。旨在通过研究单个粗糙表面微凸体水平距离分布,突破侧接触建模时接触角度分布函数仍需假设的理论瓶颈,为更加准确地预测结合面接触特性奠定基础。     

壁面粗糙度效应对微流体流动特性的影响

壁面粗糙度对微流道流动特性有重要影响。分别用矩形、三角形和圆顶形粗糙元对壁面粗糙度进行模拟,详细讨论了雷诺数、粗糙元高度、粗糙元间距等因素对流速、压降及流动阻力的影响。结果表明:与光滑流道相比,粗糙度使壁面附近的流动发生明显改变,从而导致微流道内流速、压降及流阻高于经典理论预测值;微流道内流动阻力随着雷诺数及粗糙元高度的增大而增大,而随着粗糙元间距的增大,流动阻力逐渐减小。三种粗糙元相比,矩形粗糙元的影响最大,圆顶形次之,而三角形粗糙元的影响最小,可见在实际应用场合,确立合适的粗糙元形状对分析结果非常重要。     

变双曲圆弧齿线圆柱齿轮接触面切向刚度分形模型研究

基于Hertz接触理论和分形理论,提出利用两椭圆体的表面接触系数对微凸体分布函数进行修正,引入微凸体的临界弹塑性变形接触面积,推导出变双曲圆弧齿线圆柱齿轮接触面切向刚度的分形模型。通过数值仿真论证了表面接触系数的合理性,并分析出主要参数(法向载荷、分形维数、粗糙度幅值、切向载荷、材料特性参数)对切向刚度的影响。结果表明,法向载荷与切向刚度成正比关系,但当分形维数的取值范围不同时,两者的变化规律有着较大的差别。当分形维数增大时,切向刚度先增大后减小,在分形维数为1.85时达到最大值。切向刚度随着粗糙度幅值和切向载荷的增大而减小,随着材料特性参数的增大而增大。该模型的建立为研究变双曲圆弧齿线圆柱齿轮接触面的切向刚度提供了理论依据。     

基于分形理论的滑动摩擦表面接触力学模型

依据分形理论,考虑微凸体变形特征及摩擦作用的影响建立滑动摩擦表面接触力学模型。采用一个三次多项式来表达弹塑性变形微凸体的接触压力与接触面积的关系,从而满足在变形状态转变临界点处的微凸体接触面积与接触压力转化皆是连续和光滑的条件。推导出滑动摩擦表面临界弹性变形微接触面积、临界塑性变形微接触面积、量纲一真实接触面积的数学表达式。理论计算结果表明,表面形貌一定时,真实接触面积随着载荷的增大而增大;载荷一定时,真实接触面积随着特征尺度系数的增大而减小,随着分形维数的增大先增大后减小;当表面较粗糙时,摩擦因数对真实接触面积的影响很小;随着表面光滑程度的增大,摩擦因数对真实接触面积的影响增大,真实接触面积随着摩擦因数的增大而增大,特别是当摩擦因数较大时,真实接触面积增大的幅度也较大。接触力学模型的建立,为研究滑动摩擦表面间的摩擦磨损性能提供了依据。     

一种考虑粗糙结合面切向黏滑摩擦模型

提出一种描述粗糙结合面的跨尺度黏滑摩擦行为的参数化力学模型。将名义平面的接触问题视作服从随机分布规律的微凸体的接触问题。基于Mindlin弹性接触理论并采用KD(Kragelsky-Demkin)表面粗糙度描述形式,应用概率统计方法导出粗糙表面切向相对位移与作用力、结合面能量耗散之间的关系。将该模型计算结果与光滑表面接触模型结果进行对比,研究模型参数变化对结合面黏滑摩擦行为的影响。结果表明,提出的考虑粗糙表面接触的结合面黏滑摩擦模型能够描述结合界面的跨尺度黏滑摩擦行为;粗糙度参数对切向刚度和振荡激励的能量耗散有很大的影响。     

考虑蠕变特性的橡胶微凸体与金属表面接触特性分析

金属-橡胶接触广泛存在于密封结构中,密封接触表面上微凸体间的相互作用会直接影响整个密封界面的接触特性,进而影响其密封性能。基于粗糙密封界面的单个微凸体,考虑橡胶的蠕变特性,采用理论分析和仿真研究相结合的方式研究橡胶微凸体与金属表面的接触特性。通过橡胶蠕变特性的实验结果,构建橡胶蠕变计算模型;构建半球微凸体与金属平板间的有限元模型,进行考虑蠕变特性的仿真,分析其接触特性,并与Hertz接触理论的计算值进行对比。结果表明：在蠕变阶段,接触半径、法向变形量和最大等效蠕变应变均随蠕变时间的增加而增大,最大接触压力随蠕变时间增大而减小,这均可能导致密封性能的下降;随压力载荷的增大,接触半径、法向变形量、最大接触压力和最大等效蠕变应变均增大,但增大的趋势逐渐减小;橡胶微凸体与金属表面间的等效模量随蠕变时间的增加而减小,随压力载荷增大而增大。     

结合面切向接触阻尼三维分形模型

基于分形理论,考虑摩擦因素的影响,应用描述三维粗糙表面形貌的W-M函数,推导了结合面切向阻尼能耗和切向等效黏性阻尼三维分形模型.使用Matlab软件进行仿真分析,结果显示:结合面的切向阻尼能耗随着法向总载荷、摩擦因数的增大而减小,随着材料塑性指数、切法向载荷比、分形粗糙度参数的增大而增大;结合面的切向接触阻尼能耗和分形维数之间的关系比较复杂;结合面的切向接触等效黏性阻尼随着摩擦因数、分形粗糙度参数的增大而减小,随着法向总载荷、切法向载荷比、材料塑性指数的增大而增大;结合面的切向接触等效黏性阻尼随着分形维数增大先增大后减小,在分形维数等于2.7附近时取最大值;当分形维数等于2.1～2.5时,结合面的切向接触等效黏性阻尼和法向总载荷呈现明显的非线性关系;当分形维数2.5～2.9时,结合面的切向接触等效黏性阻尼和法向总载荷趋于线性关系.     

新的粗糙表面弹塑性接触模型

提出一种新型的粗糙表面弹塑性微观接触模型.该模型的建立基于接触力学理论和接触微凸体由弹性变形向弹塑性变形及最终向完全塑性变形的转化皆是连续和光滑的假设.研究单个微凸体在载荷逐渐增加时的变形规律,并重点推出弹塑性变形区间的接触方程.在此基础上应用概率统计理论导出了粗糙表面的接触载荷、平均分离和实际接触面积之间的数学关系式.在不同的塑性指数和载荷条件下,该模型与GW弹性模型和CEB弹塑性模型就实际接触面积和法向距离的预测结果进行了对比.结果表明,在同样塑性指数和载荷条件下比GW模型预测的实际接触面积大但法向距离小,且两者的差距随塑性指数和载荷的增加而增大.因此该模型的预测结果更加符合人们的试验观察和直觉,能够更加科学和合理地描述两个粗糙表面的微观和宏观接触状态.     

EFFECT OF ELECTROSTATIC RESISTANCE ON THE SHUTTLE OF MICRORESONATOR

To improve the performance and reliability of microelectromechanical system＇s devices, it is necessary to understand the effect of friction which exists in the majority of microelectromechanical systems （MEMS） with a large ratio of surface area to their volume. The model of electrostatic tangential force of the shuttle in laterally driven comb microresonator is established based on the rule of energy conservation. The effects of microscale, surface roughness, applied voltage, and micro asperities or dents or holes formed in fabrication are investigated, and the electrostatic resistance between two charged moving plates is analyzed. The analytic results are coincident well with those of ANSYS simulation. It is found that the electrostatic resistance becomes high as the increase of the ratio of the shuttle width to the gap between moving plates and the relative surface roughness or the increment of the applied voltage.     

电连接器真空环境试验电压加载方式研究

根据真空环境下电连接器主要是由沿面闪络造成绝缘电阻和耐压强度下降或被击穿而失效的状况,针对电连接器电压加载方式不同所产生的电场强弱会有较大的差异的问题,通过静电场理论,建立电连接器电场强度的计算模型并提出电连接器电场强度的计算方法;为了更快速准确地评价电连接器在真空环境下的绝缘工作寿命,以额定电压下所产生的电场强度最大且最为均匀为目标,建立电连接器电压加载方式优化的数学模型;通过采用电场强度的信噪比作为综合评价函数,将优化的多目标转化为单目标,并通过应用遗传算法对电压加载方式进行了优化。优化结果表明,电压加载方式经优化后电场强度可提高了50％左右,而且均匀程度更高,可为实现电连接器真空环境可靠性的准确评价提供依据。     

静电涂油机油液雾化实验与仿真研究

油液的雾化直接影响静电涂油机的喷涂质量,通过静电涂油机的油液雾化实验得到了油液雾化过程的主要指标和影响油液雾化质量的主要因素,根据二者之间的关系建立了静电涂油机油液喷射雾化的数学模型。使用V isual C++面向对象技术和开放图形库,根据所建立的数学模型,模拟了不同电压下油液的静电雾化形态。理论分析和实验研究表明:射流长度随电压的升高和刀梁到钢板距离的减小而越小,雾化角随电压的升高和刀梁到钢板距离的减小先增大后减小。对比不同电压下的油液雾化照片,雾化形态模拟图基本实现了静电喷涂中油液雾化的动态过程,达到了预期的仿真目的。     

Theoretical characterization of a gas path debris detection monitoring system based on electrostatic sensors and charge amplifiers

The electrostatic detection of gas path debris has been proposed in literature as a tool to monitor mechanical component faults along the combustion gas path of turbo-machines. In this paper we discuss the general theoretical characterization of a debris detection monitoring system based on electrostatic sensors and charge amplifiers. We first provide the analytical expression of the time-varying charge induced by the moving debris on the sensor surface. After introducing a simplified electric model of the charge amplifier, we discuss the effects of the amplifier bandwidth on the shape of the output voltage signal. Theoretical results have been validated with experiments.     

微流道壁面粗糙度影响的电渗流数值模拟

基于微流控动力学理论,应用有限元分析方法求解二维平板粗糙壁面微流道模型内矩形截面双电层场和速度场的耦合控制方程。从数值模拟角度研究不同矩形粗糙元对称分布微流道内的电渗流流动特性,分析了粗糙度对微流体流动的影响机理。结果表明:由于粗糙元的阻力作用,粗糙壁面流道内流体速度减小,引起的压力突变导致壁面附近速度出现波动。随着粗糙元高度、宽度的增加,电渗流流速相应地降低或升高。     

多尺度粗糙度对波导传输性能的影响

文中针对波导内壁存在的粗糙度对波导传输性能的影响问题进行了建模、仿真研究。首先,基于改进的二维分形函数,建立了波导内壁粗糙度的多尺度数学模型。基于此模型,以数值积分和有限元法为数学工具,分别推导出了考虑粗糙度影响的波导内壁局部和整体的功率损耗公式。作为对理论结果的验证,进行了一个针对矩形波导的仿真实验。分别将二维分形函数、多尺度粗糙度模型和三角波作为粗糙度的模拟函数,将得到的功率损耗结果与用经典文献中提供的计算方法得到的结果进行对比,结果表明本文所建立的多尺度粗糙度模型的结果在高频时更接近经典文献数据。随后,又对多尺度粗糙度模型的两个主要参数对功率损耗的影响程度进行了对比,结果显示粗糙度表面密度对功率损耗的影响较小,而分维数的影响较大。随着表面粗糙度均方根值的增大,功率损耗的比值也逐渐增加,最大值可达光滑表面功率损耗的1.8倍。     

Simulation of droplet generation through electrostatic forces

This paper represents the multiphysics simulation of droplet generation of ink containing conductive nano-particles through electrostatic forces on substrate. The main focus is to investigate the phenomena by generating the drops through a nozzle with the help of electrostatic forces. The electrostatic based deposition system has vast application in printed electronics and biotechnology. In electrostatic deposition mechanism for droplet generation, a strong electric potential is applied at the tip of the nozzle; due this electric potential, the liquid containing the nano-particles experience strong electrostatic static forces at the interface with the air (at the tip of the nozzle). When these electrostatic forces exceed the internal (viscous forces) and external forces (surface tension), a deformation takes place which results in the flow of the liquid in the form of droplets. The size of the droplet is dependent on different parameters like applied voltage, properties of the ink, dimension of the nozzle. To have better understanding of this, a numerical simulation was performed based on multi-physics approach. Multiple simulations were performed by changing the position of electrode in nozzle and varying the applied voltage. Droplet size with respect to applied voltage was evaluated; electric field with respect to applied voltage and time for the droplet generation was also evaluated through these simulations. This study will help in better understanding the parameters of droplet generation phenomena and optimal design of the nozzle for the electrostatic inkjet system.     

气体动载荷下压电振子能量转化特性实验研究

针对当前利用化学电池为传感器供能具有的使用时间短及污染环境等问题，提出了一种可应用于气动系统中气体动载荷环境的能量转化与收集装置。利用压电材料的正压电效应对压电振子发电机理进行分析，分析结果表明，在气体动载荷激励下输出电能与压力变化量呈正比。仿真分析了压电振子所在容腔的内部流场变化，并分析了腔内压力及压力变化量随时间的变化规律。结合理论研究与仿真分析设计并制作了一种压电振子能量转化实验样机，搭建了实验测试系统。以动态气体载荷为激励源对不同流量、周期及负载条件的改变进行了实验测试。实验结果表明随着距离的增加，压电振子的输出电压逐渐下降；随着流量的增加峰值电压增加，当周期为1.2 s、流量为200 L/min、压力为0.3 MPa时最大的输出电压为79.60 V。     

无交叠垂直梳齿平动微镜的驱动特性

为了设计用于光相位调制器平动微镜的无交叠梳齿驱动器,建立了保角变换数学模型,研究了驱动器的驱动特性。从复变函数理论出发,建立了驱动器的保角变换静电场解析模型;以动齿受力为研究对象,根据不同情形下的动齿受力特点,求解了一定区间内动齿的静电力并与有限元模拟计算结果进行了对比分析。采用微机电系统(MEMS)工艺制作出了无交叠梳齿驱动器,搭建了Michelson干涉仪光学测试系统,测试了无交叠梳齿驱动器的静态驱动特性。实验结果表明,所制作的无交叠梳齿驱动器在28V偏压下机械位移可达325nm,相位差为2π;在90V的偏压下能够获得2.07μm静态位移。测试结果与保角变换及有限元模型分析结果一致,验证了所建数学模型的正确性,为无交叠梳齿驱动器的设计提供了理论与实验基础。     

一种航天器运动机构O形轴向动密封摩擦阻力研究

针对航天器一种常用的多道冗余O形轴向动密封摩擦阻力偏大的问题,对密封圈压缩率、金属配副表面摩擦因数、装配状态等因素进行仿真和试验研究。通过试验获得密封圈压缩率与摩擦阻力的关系;建立密封圈橡胶材料与轴孔摩擦仿真模型,通过分析获得O形密封圈与不同金属副动摩擦因数可能存在关系,并通过轴孔模拟试验验证仿真结果。通过密封圈磨损部位及应力分析,探究密封圈磨损原因。结果表明：摩擦阻力随密封圈压缩率的增大呈非线性增大趋势,且压缩率越大,摩擦阻力增幅越明显,因此降低密封圈压缩率可有效降低摩擦阻力;影响密封结构摩擦阻力的关键因素在于轴与密封圈之间的摩擦因数,通过在轴表面涂覆润滑膜层,可有效降低主轴摩擦因数,从而降低摩擦阻力。