微板机电耦合动力学研究

论文摘要

微型机电系统是将微结构的传感、致动和控制集于一体的智能微型装置或系统。微板结构是微型机电系统的典型结构之一,机电耦合问题也是微机电系统设计中不可回避的多物理场耦合问题,动力学特性直接影响微型机电系统的设计及其工作特性的控制。本文从自由振动、强迫响应以及仿真方面,对机电耦合微板系统的动力学问题进行了深入和系统的研究,主要研究工作以下:以施加电场力的微板为研究对象,利用连续系统振动原理,建立了系统机电耦合动力学方程。针对四边简支、对边简支对边固定和三边简支一边自由三种不同边界条件,计算了微板在机电耦合力作用下的静态位移、自由振动频率和振动模态,分析了每种边界条件下参数变化以及边界条件变化对频率和模态的影响。利用模态叠加法,分别计算了三种不同边界条件的机电耦合微板在简谐电压激励、简谐外载荷激励以及两种激励共同作用下的强迫响应。研究了系统在简谐电压和简谐外载荷共同作用下,参数变化对强迫响应的影响以及“拍振”的形成。建立了一种微型扑翼飞行器静电驱动机构的机电耦合动力学模型,以驱动机构的移动极板为研究对象,分析了极板的静态位移、自由振动频率和模态。揭示了系统参数对固有频率的影响规律,提出动力学性能优化的设计方法,并对驱动机构进行了参数优化设计。使用ANSYS对微板系统进行建模,完成了微板振动模态的仿真研究。将仿真结果与理论计算结果对比分析,验证了理论分析的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1 章 绪论
• 1.1 微机电系统概述
• 1.2 微机电系统的构成和工作机理
• 1.3 MEMS 典型器件和系统
• 1.4 微机电系统中的机电耦合和动力学问题
• 1.5 本文的研究内容
• 第2 章 微板机电耦合自由振动分析
• 2.1 微板机电耦合模型的建立及受力分析
• 2.1.1 微板机电耦合模型的建立
• 2.1.2 机电耦合微板受力分析
• 2.2 四边简支微板机电耦合自由振动
• 2.2.1 静态位移求解
• 2.2.2 动态位移求解
• 2.3 对边简支对边固定微板机电耦合自由振动
• 2.3.1 静态位移求解
• 2.3.2 动态位移求解
• 2.4 三边简支一边自由微板机电耦合自由振动
• 2.4.1 静态位移求解
• 2.4.2 动态位移求解
• 2.5 结果分析
• 2.5.1 四边简支微板
• 2.5.2 对边简支对边固定微板
• 2.5.3 三边简支一边自由微板
• 2.6 本章小结
• 第3 章 微板机电耦合受迫振动分析
• 3.1 四边简支微板机电耦合受迫振动
• 3.1.1 简谐电压激励
• 3.1.2 简谐外载荷激励
• 3.1.3 简谐电压和简谐外载荷共同激励
• 3.2 对边简支对边固定微板机电耦合受迫振动分析
• 3.2.1 简谐电压激励
• 3.2.2 简谐外载荷激励
• 3.2.3 简谐电压和简谐外载荷共同激励
• 3.3 三边简支一边自由微板机电耦合受迫振动
• 3.4 结果分析
• 3.4.1 简谐电压激励下的强迫响应分析
• 3.4.2 简谐电压和简谐外载荷共同作用下的微板动态响应分析
• 3.4.3 简谐电压激励下的共振分析
• 3.4.4 简谐电压和简谐外载荷共同激励下的共振分析
• 3.5 本章小结
• 第4 章 仿生扑翼飞行器机电耦合动力学分析
• 4.1 扑翼飞行器研究的背景及现状
• 4.2 静态位移响应求解
• 4.3 动态位移求解
• 4.3.1 极板刚性振动求解
• 4.3.2 极板柔性振动求解
• 4.4 结果分析
• 4.4.1 静态位移分析
• 4.4.2 频率分析
• 4.4.3 模态分析
• 4.4.4 影响因素分析
• 4.5 参数优化设计
• 4.6 本章小结
• 第5 章 微板系统动力学仿真
• 5.1 ANSYS 软件简介
• 5.2 动力学仿真
• 5.3 结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介