基于双稳态特性的加速度开关研究

论文摘要

加速度开关作为一种集传感及执行于一体的惯性器件,不仅能够感知加速度信号,而且受控于加速度阈值来执行开关动作。工程中对其性能提出多种指标要求,如阈值准确、响应快、大接触力、承载电流、闭合持续时间、抗振动冲击干扰等使用要求。因而在航空航天、汽车安全、消费电器、医疗器械及武器系统等众多领域具有广泛的需求和应用潜力。但是目前国内外的研究现状已经反映出,在加速度开关基础设计理论、研究方法及研制水平等方面存在众多难点及亟待解决的问题。在开关设计中仍然以反复试验方法(trial and error method)为主,研制成本昂贵,这也是造成目前我国市场上没有高性能加速度开关的重要原因之一。加速度开关设计关键技术涉及接触理论、气膜阻尼理论、弹性力学理论、恒磁场理论、机电动力学等理论,属于多物理学科交叉的研究领域,其中双稳态力学阈值特性研究对于实现加速度开关功能尤为重要。论文从典型双稳态力学特性研究出发,结合气膜阻尼理论和触点弹性接触理论研究,以建立基于双稳态特性的加速度开关设计理论体系为目标展开论文的主要研究工作。首先分析了基于小变形理论求解双稳态结构力学特性时所存在的问题和不足,进而基于大挠度理论建立了双稳态倾斜梁结构的大挠度后屈曲动力学控制方程,得到了结构在双稳态跳转过程中的大挠度后屈曲位形和非线性变刚度。根据加速度开关的工作特性和原理,给出了基于双稳态特性的加速度开关静态设计原则,建立了多力耦合作用下加速度开关系统动力学理论设计模型,分析了多种因素对开关性能的影响,研制了加速度开关实验样品,数值仿真与实验结果基本一致,验证了双稳态加速度开关设计理论的正确性,为加速度开关及相关双稳态器件的研制提供了理论依据。基于广义变分原理得到了考虑轴向伸缩影响的两端固支双稳态屈曲梁跳转过程中横向力与位移的解析解,分析了双稳态梁在二次分叉屈曲跳转过程中预压力、拱高、屈曲模态及跳转临界力之间的关系,仿真计算与实验结果一致,为预压屈曲形式的双稳态器件的研制提供了依据。分析了余弦弧形梁和挠性结构的几何参数对双稳态跳转特性的影响;通过大挠度后屈曲理论、小变形理论与实验结果的对比,指出了小变形理论在分析双稳态力学特性时的适用范围及所存在的不足。针对小变形理论在分析MEMS柔性结构大挠度双稳态跳跃时所存在的不足,基于几何非线性大挠度理论,建立了两端固支倾斜梁结构的大挠度后屈曲动力学控制方程,针对隐式变形协调关系表达的强非线性超静定边值问题,提出了一种半解析求解方法,得到了描述大挠度后屈曲所引起的结构双稳态力学行为的精确表达式,并利用数值方法求解了含有椭圆积分的非线性微分方程,给出了不同倾角梁结构从初始屈曲到后屈曲并发生双稳态跳转过程中的位形曲线、非线性变刚度及应力分布曲线,分析了结构参数对双稳态特性的影响。根据倾斜支撑梁结构的力学特性,研制了满足边界条件的实验平台,实验结果验证了大挠度后屈曲理论推导的正确性,为柔性微结构的大挠度后屈曲精确分析提供了理论依据。基于磁荷模型分析了永磁力与位移之间非线性关系,提出了一种具有双稳态力学特性的多磁体组合结构设计方案,分析了磁体结构参数对双稳态跳转特性和稳态保持能力的影响。基于磁动势模型和系统发生吸合的条件,分析了不同类型电磁驱动微器件由吸合现象而引起的双稳态特性,以及磁芯磁阻对双稳态跳转位置的影响,给出了相应的控制跳转位置的方法。根据双稳态结构跳转时的阈值特性及加速度开关的工作原理,提出了屈曲式双稳态和永磁致动双稳态两种加速度开关的静态设计原则;综合考虑开关工作过程中非线性永磁力、屈曲弹性力、气膜阻尼力、惯性力和触点接触力等对开关系统性能的影响,建立了加速度开关在多力耦合作用下的机电动力学系统设计模型,数值仿真分析了开关系统的动态特性(响应快速性、时间保持性、频率响应、接触可靠性)与机电参数的匹配关系;从静态和动态特性方面对比分析了各种因素对开关性能的影响。研制了开关实验样品,实验与仿真结果吻合较好,验证了基于双稳态结构的加速度开关设计理论的正确性和可行性,为基于双稳态特性的微惯性开关器件工程研制提供了有效的理论参考。基于加速度开关的功能定义,结合开关的工作原理和工作特性,提出了一种加速度开关的系统性能评价指标,为加速度开关的研制提供了参考评价标准,有利于更好的实现加速度开关器件的设计、制造和质量控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 双稳态结构
• 1.1.1 双稳态结构及其特点
• 1.1.2 双稳态结构的分类
• 1.2 基于双稳态微结构的典型微器件
• 1.3 双稳态结构及加速度开关研究现状
• 1.3.1 双稳态结构研究现状
• 1.3.2 加速度开关关键技术研究现状
• 1.4 本文研究的目的和意义
• 1.5 论文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 基于小变形理论的双稳态特性研究
• 2.1 概述
• 2.2 双稳态力学特性分析方法
• 2.2.1 能量法
• 2.2.2 伪刚体模型法
• 2.3 基于能量变分原理的双稳态预压屈曲梁跳转特性分析
• 2.3.1 预压梁双稳态结构屈曲类型
• 2.3.2 双稳态屈曲梁跳转路径分析
• 2.3.3 预压屈曲梁跳转临界力的半纯函数解
• 2.3.4 仿真计算与实验
• 2.4 余弦弧形梁结构双稳态跳转特性分析
• 2.4.1 无预压余弦弧形梁
• 2.4.2 余弦弧形梁跳转计算
• 2.5 挠性结构双稳态特性分析与计算
• 2.5.1 挠性结构
• 2.5.2 双稳态力学特性分析模型
• 2.6 基于小变形理论求解屈曲问题所存在的局限性
• 2.7 小结
• 参考文献
• 第三章 基于大挠度后屈曲理论的双稳态特性研究
• 3.1 概述
• 3.2 大挠度后屈曲理论
• 3.2.1 压杆大挠度失稳以及后屈曲理论
• 3.2.2 后屈曲级数简化解的误差分析
• 3.3 大挠度后屈曲梁结构双稳态特性分析
• 3.3.1 大挠度后屈曲理论研究方法
• 3.3.2 屈曲梁结构模型
• 3.3.3 大挠度后屈曲控制方程
• 3.3.4 屈曲梁非线性隐式变形协调条件
• 3.3.5 后屈曲非线性弹性力分析
• 3.3.6 数值仿真计算
• 3.3.7 大挠度后屈曲变形梁的应力分析
• 3.4 大挠度后屈曲理论实验验证
• 3.4.1 实验台设计
• 3.4.2 实验结果分析
• 3.5 实验误差分析
• 3.6 小结
• 参考文献
• 第四章 永磁及电磁致动双稳态力学特性分析与计算
• 4.1 概述
• 4.2 永磁力双稳态特性分析与计算
• 4.2.1 基于磁荷模型的永磁双稳态特性分析
• 4.2.2 空间多永磁体组合结构的双稳态特性分析
• 4.2.3 双稳态永磁力简化计算
• 4.3 电磁驱动双稳态结构
• 4.3.1 电磁双稳态特性的产生机理
• 4.3.2 磁阻对双稳态特性的影响
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 基于双稳态特性的加速度开关设计理论研究
• 5.1 加速度开关研究概述
• 5.2 触点的电接触问题
• 5.2.1 电接触的基础理论
• 5.2.2 加速度开关触点的接触电阻
• 5.3 气膜阻尼理论
• 5.3.1 气体压膜阻尼
• 5.3.2 气体可压缩性对阻尼的影响
• 5.4 屈曲式双稳态加速度开关设计与分析
• 5.4.1 屈曲式双稳态开关
• 5.4.2 开关工作原理
• 5.4.3 加速度开关静态设计
• 5.4.4 开关的尺度
• 5.4.5 影响开关动力学性能的参数设计
• 5.4.6 多物理场力作用下开关的动力学设计模型
• 5.4.7 加速度开关动力学仿真
• 5.4.8 系统抗干扰特性分析
• 5.5 永磁致动双稳态加速度开关的设计与分析
• 5.5.1 永磁致动双稳态开关的物理模型
• 5.5.2 磁致动双稳态开关的静态设计原则
• 5.5.3 开关结构参数设计
• 5.5.4 多力耦合作用下双稳态永磁开关的动力学设计模型
• 5.5.5 开关的抗干扰性能分析
• 5.5.6 结构设计参数对开关阈值特性的影响
• 5.6 两种开关性能的比较
• 5.7 小结
• 参考文献
• 第六章 双稳态加速度开关设计理论的实验验证
• 6.1 概述
• 6.2 加速度开关实验样品研制
• 6.2.1 屈曲式双稳态加速度开关
• 6.2.2 永磁致动双稳态加速度开关
• 6.3 加速度开关设计评价指标
• 6.3.1 阈值特性
• 6.3.2 开关抗扰动能力
• 6.4 小型离心及振动实验装置
• 6.4.1 小型离心实验装置研制
• 6.4.2 振动实验台
• 6.5 理论设计模型仿真与实验结果对比分析
• 6.6 工程研制误差分析
• 6.7 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 主要工作与结论
• 7.2 本文工作的主要创新点
• 7.3 工作展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间的研究成果