基于MEMS技术的平面W型微弹簧刚度特性研究

为了方便平面W型微弹簧的设计和制造,对其刚度特性表征方面进行了研究.运用能量方法推导出平面W型微弹簧弹簧常数计算公式.通过镍质平面W型微弹簧的实际拉伸实验,对推导出的微弹簧弹簧常数计算公式进行了验证,公式计算结果与测试结果基本相符.同时在有限元模拟分析软件--ANSYS中进行了仿真计算,二者一致性很好.在公式和仿真计算的基础上,找出了各结构参数对其刚度的影响规律.研究结果为平面W型微弹簧的优化设计与加工提供了理论指导.     

引信用MEMS平面微弹簧弹性系数分析

分析了平面微弹簧在某种MEMS引信安全保险机构中的作用,利用力学能量法推导出了"L型"、"S型"及"W型"微弹簧弹性系数计算公式,解决了目前相关MEMS弹簧没有成熟设计公式的问题.在理论推导过程中,利用有限元仿真软件ANSYS的仿真结果对其进行完善,提高了弹性系数计算公式的精度.结果表明,完善后的弹性系数计算公式更为准确,其中"L型"微弹簧的公式平均误差低于1%,精度较相关文献提高约一个数量级.     

异形汽车座椅弹簧的刚度及应力分析

以某型异形汽车椅弹簧为研究对象,针对其刚度特性及应力进行理论计算.利用Hypermesh与ANSYS联合仿真研究该异形汽车座椅弹簧的结构特点,并对其弹簧的刚度特性进行应力分析和强度校核.结果表明:基于弹簧串联理论得到的弹簧刚度和仿真结果更接近;汽车座椅弹簧轴向载荷与轴向变形量呈近似线性关系,刚度随着轴向力的增大而小幅增大,在满载工况下,汽车椅弹簧能满足强度要求,符合实际应用要求.利用有限元软件对弹簧进行应力分析及强度校核,并对切应力计算公式提出修正系数,使结果更加合理.     

渐变刚度钢板弹簧建模方法对比

为更好地分析钢板弹簧刚度特性,对钢板弹簧建模方法进行了对比研究。依据钢板弹簧国家标准GB/T 19844—2005,针对某型渐变刚度钢板弹簧分别在有限元软件Hypermesh和多体动力学软件Adams中建立其有限元模型和离散梁模型,并进行了仿真,得到刚度特性。将仿真结果与试验值进行了比较。结果表明,在针对该钢板弹簧的刚度分析中,运用离散梁法得到的刚度特性更加接近试验值。     

滚珠丝杠等效刚度解析表达研究

为了得到精准的滚珠丝杠等效抗拉及抗扭刚度的计算公式,对一种丝杠刚度的计算方法进行了研究.通过理论推导、数值仿真和基于修正的二维对数正态分布的密度函数拟合得到了考虑不同参数的滚珠丝杠的抗弯和抗拉刚度的解析表达式.对比公式计算结果和有限元仿真结果,可以发现本文的刚度表达公式具有更强的通用性和计算精度.     

波纹管抗扭刚度的计算

在钱伟长教授对旋转壳抗扭刚度的薄膜解的基础上,推导出U型和C型波纹管抗扭刚度的积分计算公式,指出相应EJMA标准计算公式的不足之处,给出相应的修正公式．选用波纹管试件,采用上述计算方法分别计算,并用有限元分析进行了验证．结果表明,采用积分法得到的抗扭刚度,与有限元分析结果几乎完全一致;采用EJMA标准计算的结果比前两者低很多;而其修正公式得到的结果与前两者较接近。     

基于有限元的圆锥螺旋MEMS弹簧非线性分析

弹簧作为控制机件运动、缓和冲击或震动、贮蓄能量的基本机械零件,它的作用在微机电系统(MEMS)中不可替代。设计一种应用于MEMS的圆锥形微弹簧,通过有限元方法对圆锥微弹簧非线性接触状态下,所表现的弹性特性进行了计算,得到微弹簧弹性特性曲线,并对微弹簧的非线性特性进行了分析,结果表明圆锥弹簧的刚度具有明显的非线性。有限元计算结果与理论公式计算结果基本一致,说明了采用有限元方法的可靠性。这种方法的采用对于微弹簧的优化、设计与加工具有实际意义。     

地下结构地震反应位移法地基弹簧刚度求解及影响因素分析

为研究地基弹簧刚度的影响因素,分别讨论土体弹性模量、土体泊松比、结构高度、结构宽度、结构埋深以及结构底板到基岩距离与地基弹簧刚度的关系,并基于静力有限元计算结果,提出考虑多因素作用的计算弹簧刚度的综合建议公式,以某两层三跨地铁车站结构为例验证该建议公式的有效性。研究结果表明：弹簧刚度随土体弹性模量增大呈线性增长,结构高度对边墙弹簧刚度影响较大,结构宽度对顶板、底板的弹簧刚度影响较大。利用综合建议公式计算所得结构内力与有限元法计算结果最接近,说明该公式适用于地基弹簧刚度简化计算。     

折叠式MEMS弹簧弹性系数研究与有限元分析

用卡氏第二定律和胡克定律推导出折叠式MEMS弹簧弹性系数的计算公式。ANSYS的仿真结果表明两者的相对误差低于1%。在计算公式和仿真的基础上,研究了各种结构参数对弹性系数的影响规律。最后对设计的弹簧质量块系统分别进行了模态分析和谐波响应分析。分析结果和理论一致。研究结果为其他结构的MEMS弹簧的分析和设计提供了一定的借鉴。     

鼠笼弹性支承的刚度计算及其影响因素的分析

为了更加准确地计算出鼠笼弹性支承的刚度值,基于鼠笼弹性支承受力特性、鼠笼的加工方法和理论公式的推导等,进行了鼠笼弹性支承刚度的计算和影响因素分析。首先,在现有计算公式的基础上,结合鼠笼的加工方法和几何关系对理论计算公式进行了进一步的推导;然后,结合实验测试分析了鼠笼半径对鼠笼弹性支承计算刚度值的影响;最后,对比了推导公式和现有公式的计算准确性。研究结果表明：鼠笼半径对鼠笼弹性支承计算刚度值的影响较小,同时推导公式比现有公式计算的结果更加准确。     

准气体动力循环Power MEMS气体静压轴承

为追求微细尺度条件下超高能量密度的目标,提出了Power MEMS准气体动力循环发动机的概念.鉴于Power MEMS准气体动力循环发动机能够自行提供高压气源的结构特征以及气体静压轴承在性能上的优点,提出了将气体静压轴承应用于该Power MEMS发动机的研究和Power MEMS准气体动力循环发动机中气体静压径向轴承和止推轴承的结构形式的选择,指出了微细尺度下气体静压轴承的设计要点;运用气体静压润滑的基本原理对气体轴承的结构及运行参数进行了分析,获取了径向轴承和止推轴承的参数设计;通过气体轴承静态性能的计算,从承载能力方面验证了将所设计的气体轴承应用于Power MEMS准气体动力循环发动机中的可行性.     

基于相关拟合校准技术的MEMS平面微运动纳米精度测量

微电子机械系统（MEMS）谐振器周期运动过程中各个时刻的运动特性及其动态特性参数为MEMS器件的设计提供重要参考．提出一种基于相位相关技术的亚像素运动估计算法,可对相关拟合方法进行误差校准补偿,从而提高对物体运动的分辨力,实现纳米精度测量．利用该算法对MEMS器件的运动历程做分析,得到特定驱动频率下MEMS器件的幅度一相位曲线．利用扫频测量原理,获得了MEMS器件的幅频特性．实验结果表明,该方法具有较好的测量精度,测量分辨力优于5nm．     

射频微机电并联电容式开关的参数性能分析

射频微电子机械系统RF MEMS开关的高隔离度与低插入损耗特性,同开关自身的结构参数密切相关。为了得到更好的开关性能,在设计过程中有必要对射频MEMS开关的相关参数进行优化。本文用ADS和HFSS仿真设计软件,对射频MEMS并联电容式开关的微波特性进行了分析和仿真,研究了MEMS开关的等效电路参数和结构参数的变化对RF MEMS开关微波特性的影响。仿真结果表明:等效电容参数和MEMS开关桥宽度是影响开关性能的关键参数,当开关的等效电容参数增加20 pF,或MEMS桥的宽度增加40μm时,RF MEMS开关的插入损耗则可能增加10 dB以上。     

纳米精度MEMS平面运动测量技术

为实现MEMS谐振器在周期运动过程中各个时刻的运动特性及其动态特性参数的纳米精度测量,提出了一种基于块匹配的最优根值亚像素运动估计测量方法．该方法在双线性插值细分技术基础上,将物体亚像素位移的定位转换为求解方程的最优根值的方式,通过最小均方差法获得物体运动位移的纳米级分辨力测量结果．该算法避免了传统算法中由于迭代所引起的大量运算．利用该算法对MEMS器件的运动历程做分析,得到特定驱动频率下MEMS器件的幅度-相位曲线．实验结果表明,采用该方法得到的平面位移测量分辨力为5nm．     

平面正弦钢球传动机构接触力影响因素分析

建立了平面正弦钢球传动机构的钢球接触力分析模型,在MATLAB中使用Newton-Raphson的方法绘制出主动圆盘正弦轨道对钢球的接触力、保持架活动槽对钢球的接触力以及从动圆盘正弦轨道对钢球的接触力随主动圆盘转角的变化曲线。同时,以正弦曲线振幅、平面正弦曲线槽周期、法线圆半径以及正弦轨道截面圆半径为基础,使用控制变量的方法进行数值模拟,归纳出平面正弦钢球传动机构中基本结构参数单独改变时钢球接触力曲线特性的变化规律。最后,将设计经验与理论数值相结合确定了机构中基本结构参数的取值,为平面正弦钢球传动机构中钢球接触力的优化设计提供了理论依据。     

基于贝叶斯网络的MEMS安全系统可靠性分析

随着MEMS技术的不断发展,对于引信中MEMS安全系统的可靠性提出了更高要求.为了解决目前MEMS安全可靠性分析中存在着各机构可靠度数据不全面,主要依赖于大量实验或专家经验的现状,对MEMS安全系统的失效状况进行分析,构建了MEMS安全系统的故障树,并计算了各重点机构的可靠度功能函数.以此为基础,提出了一种将故障树与贝叶斯网络进行转化的可靠性分析方法.同时针对各失效机理进行了概率重要度和结构重要度计算,从可靠性重要度角度提出了MEMS安全系统设计中的重点优化机构,并进行了计算实例分析.借助于MEMS加工工艺,实现了MEMS安全系统的加工,通过可靠性测试实验,证明了本方法计算的快速准确性.      

基于平面连杆机构的主动平衡器

提出一种结构独立的主动平衡器的设计构想,旨在不改变待平衡机构原有结构和运动规律的情况下,通过引入控制系统来实现机构的柔性平衡.该平衡器由两自由度机构和控制电机组成,两自由度机构的一个输入轴兼做输出轴,与待平衡机构的输入轴或输出轴相联并与其以相同的速度转动,另一个输入轴由控制电机驱动.这种特殊的结构使主动平衡器成为具有一个外伸轴的智能平衡箱,既可以方便地安装在待平衡机构上,又可以通过结构参数和控制参数的调整来满足其不同的平衡要求.对主动平衡器进行概念设计,确定了基于平面连杆机构的4种可行研究方案,并以其中的1种为例,介绍了主动平衡器的设计方法.最后,以曲柄摇杆机构为待平衡机构给出了算例,对不同平衡目标下主动平衡器各种研究方案和附加杆组法的平衡效果进行了比较.结果表明：由于控制系统的引入使主动平衡器具有更大的柔性,故对不同平衡目标,均可通过其执行机构结构参数和控制输入运动规律的优化设计获得较好的平衡效果,并可通过控制输入的再设计有效地补偿因工况改变而造成的机构动力性能的变化.     

平面表像法在钻头刃磨参数优化中的应用

以普通麻花钻前、后刀面的数学模型为基础，建立了普通麻花钻后刀面锥面刃磨时各几何要素的平面像图；应用平面表像法，推导了钻头结构参数与刃磨参数之间的关系；为了由给定的结构参数计算刃磨参数，将求解关于刃磨参数的超越方程组问题，转化为计算结构参数误差平方和的最小值的优化问题，并用Matlab提供的优化函数进行计算．实体造型证明该方法计算结果是正确的．     

基于陀螺仪转角传感器的动态信号测量 及物理参数时域识别

针对结构识别算法应用于实际工程时,结构的转角信息难于准确测量及转角自由度通常容易被忽略的问题,本文研究了使用陀螺仪转角传感器测量动态信号的方法及响应信息不完备条件下的结构物理参数识别.首先,针对结构转动响应信息测量困难这一问题,提出采用商业级的微机电系统（MEMS）陀螺仪传感器测量角度和角速度响应,并基于最小二乘递推算法对结构物理参数识别方法进行了理论公式推导.然后以一座4层框架结构为算例进行分析,设置由广义逆方法重构转角和采用转角真实值两种工况,并对结构物理参数进行识别,从而验证了理论推导的正确性.同时,对两种工况下所识别的物理参数进行比较,结果表明重构转动响应时物理参数识别的效果不够理想,故考虑测量转动响应.先对MEMS陀螺仪传感器在受到冲击振动下的动态精度进行了试验验证,在结构的初位移小于10 mm时,动态角度测量的精度为0.1°.在此基础上,通过一个3层2跨的钢框架模型的动力试验实测数据和分析结果,验证了使用MEMS陀螺仪传感器直接测量转动响应相比于重构转动响应对弯剪型结构进行刚度参数时域识别的效果更好.