超声行波微流体驱动模型的动力学分析及声固耦合分析

论文摘要

随着MEMS技术在生物医学工程领域的广泛应用,微流体驱动与控制技术的研究已逐渐成为MEMS研究的一个热点,开展对微尺度、微结构及微功能器件的微流体机理研究,寻找合适的微流体建模方法,进而对微流体器件的结构及参数进行优化研究,是目前微流体研究中亟待解决的问题之一。超声行波微流体驱动技术在原理上不同于当前各种微流体驱动技术,它是利用压电陶瓷的逆压电效应产生的超声振动在输送管道中激起行波,并在管道内的流体介质中产生行波声场,在声流、声辐射压力的共同作用下,使液体沿行波方向运动,是一种新的微流体驱动技术。作为一种新型微流体驱动技术,超声行波驱动没有可动部件,所需驱动电压低,控制方法简单,利于小型化,具有广泛的应用前景。本文首先概述了微机电系统(MEMS)及微流体系统的发展现状,回顾了微流体驱动技术的国内外发展概况,对目前的几种微流体驱动技术作了介绍。其次,介绍了压电陶瓷的逆压电效应及其材料特性和频率特性,详细分析了行波的合成,通过对声辐射压力及声流产生机理的研究,得出驱动机理与模型参数的关系,为超声行波微流体的驱动控制打下基础。然后,利用ANSYS有限元分析软件,建立圆环形微流体驱动模型,对其动力学特性进行了分析研究。通过有限元模态分析,讨论了模型固有频率与基底结构参数的关系,如模型的内径、外径、基体厚度,并分析了沟道尺寸对固有频率的影响;通过谐响应分析,激励出所需振型,验证了频率特性,得出了响应位移随频率的变化特性,为模型结构设计的进一步优化提供指导。最后,介绍了声学基础及声固耦合理论,结合数值方法,借助有限元分析软件ANSYS进行了超声行波微流体驱动模型的声固耦合模态分析,通过对耦合模型与非耦合模型的对比分析,得出声场对模型固有频率的影响,并进一步分析了流体密度、声速等因素对模型共振频率的影响。

论文目录

• 目录
• CONTENTS
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 MEMS技术进展
• 1.1.2 微流体系统概述
• 1.1.3 微流体的特性
• 1.2 微流体驱动与控制技术的分类及研究现状
• 1.3 本课题的研究目的及意义
• 1.4 课题来源
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 压电晶体的压电特性与振动模式
• 2.1 引言
• 2.2 压电效应
• 2.3 压电晶体的特性常数
• 2.3.1 压电晶体的介电常数
• 2.3.2 压电晶体的弹性常数
• 2.3.3 压电晶体的压电常数
• 2.4 压电本构方程
• 2.5 压电振子的振动模态
• 2.6 压电振子的谐振特性
• 2.7 本章小结
• 第三章 超声行波微流体驱动机理的研究
• 3.1 驻波与行波
• 3.1.1 驻波
• 3.1.2 行波
• 3.2 驻波的产生与行波的合成
• 3.2.1 驻波的产生
• 3.2.2 行波的合成
• 3.3 超声行波微流体驱动模型的理论分析
• 3.3.1 行波声场中的非线性声学现象
• 3.3.2 驱动模型与驱动机理
• 3.4 本章小结
• 第四章 圆环形超声行波微流体驱动模型的动力学分析
• 4.1 引言
• 4.2 有限元分析的基础理论
• 4.2.1 有限元法
• 4.2.2 ANSYS软件介绍
• 4.3 压电陶瓷的有限元模型
• 4.4 耦合场分析
• 4.5 圆环形模型的模态分析
• 4.5.1 结构的模态分析原理
• 4.5.2 圆环形模型的模态仿真
• 4.5.3 结构参数对固有频率的影响
• 4.6 圆环形模型的谐响应分析
• 4.6.1 结构动态响应分析原理
• 4.6.2 模型的谐响应分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 圆环形超声行波微流体驱动模型的声固耦合分析
• 5.1 声学基础
• 5.1.1 声学基本概念
• 5.1.2 理想流体媒质中的三个基本方程
• 5.1.3 声波的三维波动方程
• 5.2 声场有限元分析理论
• 5.2.1 无衰减声波的有限元分析
• 5.2.2 衰减声波的有限元分析
• 5.2.3 声场声固耦合问题
• 5.3 圆环形声固耦合模型的建模
• 5.4 声固耦合模型模态分析的有限元计算
• 5.4.1 声固耦合有限元模型的模态分析
• 5.4.2 声固耦合有限元模型与结构模型的模态对比分析
• 5.4.3 流体介质密度和声速对耦合模型的固有频率的影响
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 附录
• 附录 1: ANSYS圆环形模型动力学分析核心程序
• 附录 2: ANSYS声固耦合分析核心程序
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表