压电式微滴按需喷射的过程控制和规律

微滴喷射增材制造技术中沉积微滴的大小与均匀性是影响成型件质量的关键因素.本文设计了一种用于生成均匀微滴的压电驱动式微滴喷射装置,通过压电材料带动柔性膜片振动,将液体从喷嘴中喷出生成微滴,采用数值模拟和实验相结合的方法,研究了不同控制参数下膜片振幅及其对生成微滴尺寸和均匀性的影响.研究结果表明:膜片振幅大小受到驱动电压和压电频率的共同影响,压电频率是导致膜片中心点振幅实验测量值小于理论计算值的主要原因,膜片振动会导致喷嘴内部压力发生变化从而影响微滴生成尺寸.在相同驱动电压条件下,压电频率为10 Hz时存在压电膜片振幅最大值.随着膜片振幅的增大,喷孔处液体速度和液柱长度增大到临界值时可以生成微滴,当喷孔处的液柱长度超过临界值时,会形成卫星液滴. 当膜片振幅区间在30 $\mu$m$\sim $42 $\mu $m可以稳定生成微滴,生成最小微滴尺寸为339.8$\mu$m,直径最大变化率为0.29%,相邻两微滴间距最大变化率为2.67%,生成微滴的尺寸及均匀性较好.研究结果有助于提高压电式微滴喷射装置的液滴生成质量.      

生物芯片压电微流体泵液-固耦合系统模态分析

对压电微流体泵粘性流体周期流动进行厚度积分平均近似,得到包含粘性的,非线性浅水波动方程,并采用有限元法得到微泵液体压强矩阵方程．液体压强矩阵方程和压电硅片振动有限元方程耦合,得到一个包含微泵进出口扩散管的液-固耦合系统振动方程．液-固耦合系统的模态分析结果表明,做泵液-固耦合系统的自然频率比不耦合的硅片振动自然频率低很多．随着微泵厚度的减少,液体附加质量和粘性阻尼对耦合系统自然频率的影响更加明显．同时发现,对应的压电片振型函数在液-固耦合前后没有明显变化,还给出硅片-阶模态的振幅-频率特征曲线,对薄型无阀压电微流体泵,浅水波模型合理地表达了微泵液体流动和压电硅片振动的相互作用,以及液体附加质量和粘性阻尼对微泵液-固耦合系统动力特征的影响。     

基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器逆转现象分析

在压电陶瓷等效电学模型的基础上,结合外加驱动信号波形分析了基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器在工作过程中金属球产生逆转现象的原因,建立了金属球的转速及位移模型,采用快速放电回路和加速压电陶瓷放电的方法减小金属球的逆转位移及振动;利用压电陶瓷管作为微驱动元件,设计了基于惯性-摩擦驱动的球基微驱动器,并采用不同频率的三角波信号对所设计微驱动器进行试验测试.结果表明:驱动信号频率越高,微驱动器的振动现象越明显;当驱动信号频率接近、等于或大于微驱动元件(压电陶瓷管)的固有放电周期时,金属球出现无规律运动,导致微驱动器失效;根据1 Hz低频信号时的试验结果与计算所得结果基本吻合,证明了所建立的逆转理论模型的合理性.     

组装式微流控系统制备双重包裹微液滴的方法研究

介绍了一种组装式微流控系统制备单、双重包裹微液滴的方法。微系统中用三通接头构成T型微流体通道,使得分散相在连续相强烈的剪切力和压力差作用下断裂形成单个微米级液滴。在制备单个微液滴基础上,用毛细管将两个三通接头串联,通过调控三相流量,可产生双重包裹液滴。结合实验结果,分析了流体粘度比对液滴大小的影响,并得出液滴的尺寸与流量比之间的关系式,为制备不同尺寸的液滴提供了参考依据。对制备的样品进行统计分析,结果显示,液滴的多分散性指数均小于3.2%,表明微液滴的高度均匀性。此外,通过调节三相液体的流量不仅可以控制内外层液滴的大小,还可以调节内层包裹液滴的个数。本文提出的制备方法,设备组装拆卸简便,不需表面亲疏水性处理,装置利用率高,产生的单、双重包裹微液滴可满足高通量的测量分析要求。     

几何构型对流动聚焦生成微液滴的影响

流动聚焦型微流控装置能够方便、高效地生成均一度好且大小精确可调的微液滴(气泡),故被广泛应用于颗粒材料合成、药物封装、细胞培养等诸多领域. 进一步优化通道结构有助于实现对合成微粒粒径、均一度和尺寸范围的精确调控. 本文数值研究了通道深度、缩颈段长度以及两相夹角等几何构型因素对流动聚焦生成微液滴直径及其生成周期各个阶段的影响. 控制液滴生成方式为滴流式,发现液滴直径随通道深度d 的增加近似呈线性增大,且当通道深度小于30 μm 时,随着通道深度的下降,微液滴生成周期在毛细力的强烈作用下出现骤升,通道深度超过80 μm 时,微液滴的生成周期基本接近恒定. 连续相和离散相的夹角θ接近90°时,液滴直径及其生成周期最短,夹角太大或太小均不利于生成均一度好且粒径微小可控的液滴. 调整缩颈段长度l引起液滴直径及其生成周期的变化幅度仅为其平均值的3%~5% 左右. 此外,缩颈段宽度也是影响流动聚焦生成微液滴直径及其生成周期的重要因素,在通道深度固定时,缩颈段越宽,微液滴直径及其生成周期越大.      

腐蚀后铝自由表面微物质喷射实验研究

在40GPa压力下，采用压电石英传感技术,测量了腐蚀时间为1～7d的铅自由表面的微物质喷射。结果表明,微喷射量随着腐蚀时间的增加而增加．但腐蚀时间大于4d以后,微喷射量的增量减小。实验测量了粗糙度R2约为1．5和8．0μm样品表面的微物质喷射量．在腐蚀时间小于4d时，样品表面粗糙度Rz为8．0μm的微物质喷射量大．说明粗糙度对微喷射有影响。当铅的表面腐蚀4d以后．两种粗糙度的铅样品的微喷射量在实验误差范围内是一致的．说明此时的微物质喷射量只取决于腐蚀层的杂质和氧化物．而与表面原始粗糙度无关。     

流动聚焦装置中液滴的形成:喉部尺寸的影响

在本文中,研究了液滴在一个流动聚焦微流体设备中的形成过程,分析了喉部长度和宽度以及连续相的流速和分散相的粘度对液滴尺寸的影响。在固定的分散相流速(Qd)下,连续相流速(Q_c)对于液滴尺寸有重要的影响。当Q_c0.7mL/h,液滴尺寸在喉部长度到达一个临界值之前先趋于增加,之后随着喉部尺寸的继续增加逐渐下降;当Q_c0.7mL/h,液滴尺寸随着喉部长度的增加而降低。而越大的喉部宽度会产生越大尺寸的液滴。在Q_c继续增长的过程中通常会出现从挤压模式到滴模式的转变,最终液滴尺寸呈现出随着Q_c的增加指数降低的特征。归因于流速控制破碎机制,低粘度分散相下,液滴尺寸随粘度的增加而增加。     

振动辅助磁力研磨超硬精密Al2O3陶瓷管内表面试验研究

针对普通磁力研磨超硬精密Al2O3陶瓷管内表面加工效率低且纹理不均匀的问题,提出了一种振动辅助磁力研磨的技术.采用曲柄滑块振动机构和超声振动机构辅助磁力研磨,通过改变磁粒刷的运动轨迹,实现对陶瓷管内表面的高效精密加工.对比施加振动前后表面加工质量和加工效率的变化,利用单因素试验分析了振幅和振动频率对表面加工质量和加工效率的影响规律.试验结果表明:振动辅助磁力研磨技术实现了对超硬精密Al2O3陶瓷管内表面的高效精密加工,相比普通磁力研磨,经过50 min的加工,超声振动辅助磁力研磨效果最好,加工效率提高70%,表面粗糙度Ra由平均1.1μm降至0.03μm以下;采用高频率小振幅的振动更有利于加工效率和表面加工质量的同时提高.     

有限尺寸压电圆柱的三维耦合振动谐振频率分析

有限尺寸压电圆柱体的振动因为存在不同振动方向之间的耦合而变得复杂,分析时不能简单将其视为一维细长棒或二维薄圆片进行处理,而必须考虑不同振动方向之间的耦合.论文从表观弹性常数的定义出发,给出压电圆柱频率常数和其尺寸的方程.通过样品数据,验证压电圆柱体的频率常数与尺寸的非线性关系,说明一维细长棒或二维薄圆片是在样品尺寸满足一定条件下的简化处理;当样品厚度和直径尺寸接近时,不能简化处理,而必须考虑不同方向的振动耦合.     

圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布相关性研究

压力旋流喷嘴被广泛应用于航空发动机、船用发动机、车用汽油缸内直喷发动机、燃气轮机等动力机械的燃油喷射系统中.以压力旋流喷嘴射流为研究对象,开展了圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布相关性问题研究.对于液体射流,以往的研究往往对破碎液滴粒径数量密度分布或速度数量密度分布进行单独研究,对于这两种数量密度分布之间关系的研究较少;从相关性的角度对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度数量密度分布之间的关系进行研究.采用最大熵原理方法建立了圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数.对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数进行了讨论,对圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径数量密度分布与速度数量密度分布的相关性问题进行了研究.研究结果表明,为了给出正确的圆环旋转黏性液体射流破碎液滴粒径与速度联合概率密度函数,射流守恒约束条件中必须同时包括质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律;破碎液滴粒径的数量密度分布与速度数量密度分布密切相关;射流旋转强度对破碎液滴粒径数量密度与速度数量密度分布结构影响不大,对破碎液滴粒径数量密度和速度数量密度的分布区域影响较大.      

横向振动方柱波动升力实验研究

本文对均匀流中静止方柱和横向强迫振动的方柱进行了实验研究。实验雷诺数范围为 3×10~3～10~4,振幅与柱截面宽度之比 A/D 达到0.7,实验折合速度范围为 4.5≤V_r≤12。文章重点研究了较高振幅振动柱的锁定现象、波动升力与柱位移之间的相位变化,讨论了方柱涡激振荡、驰振和气动稳定性问题。对流场进行的流动显示,清晰地显示出锁定区涡脱落过程、近尾迹流场随振动频率和振幅的演化规律,从而对振动柱波动升力与相位变化的物理机制获得进一步认识。     

压电智能梁的阻抗分析与损伤识别

压电陶瓷具有正、逆压电效应,可以用作自驱动传感器．该文对表面粘贴有单片压电陶瓷的压电智能钢梁进行了阻抗分析．讨论了单压电片驱动下钢粱的纵向振动和弯曲振动,得到了压电智能梁的机械阻抗．介绍了压电片与基梁的机电耦合作用及基于压电阻抗技术的结构损伤识别机理．以两端自由钢梁为例对压电智能梁的压电阻抗进行了数值与实验验证,结果表明数值计算结果与实验结果基本相符．利用压电阻抗技术对两端自由的裂纹钢梁进行了损伤识别实验研究,实验结果发现,裂纹的出现引起高频段压电阻抗实部和虚部曲线出现了明显的变化;随着裂纹尺寸的增大,曲线谐振频率和反谐振频率逐渐减小．由此可见,通过测量钢梁损伤前后压电陶瓷片的电阻抗变化能够识别梁中的裂纹损伤．     

功能梯度压电、压磁柱壳问题的振动分析

本文在不考虑体力、体电流和体电荷的情况下,假定压电、压磁柱壳的材料参数沿圆柱厚度方向呈幂函数分布,研究了径向载荷作用下功能梯度压电、压磁空心柱壳的空间柱对称径向振动问题.首先在柱坐标系下,由功能梯度压电、压磁空心柱壳的参数、本构、梯度和运动方程推导得出外激励作用下以Bessel函数表示圆柱壳的应力、电势、磁势等物理量的稳态解,进而对空间柱对称的功能梯度压电、压磁柱壳的动力控制问题进行了理论分析.进一步可以看出,当梯度参数β=0时,即完全退化为横观各向同性压电、压磁柱对称的振动问题,与文献[20]的基本方程为柱坐标下得出的结果完全一致.最后给出数值算例,数值结果表明,材料不均匀性对沿径向振动各物理量有显著影响,且用一个特定不均匀性参数β值可以优化力电磁耦合的性能,这在现代工程设计中尤为重要.     

超声驱动下激励参数对单泡空化振动的影响

根据考虑了液体可压缩性的改进的微气泡动力学方程,采用改进的初始半径对单泡超声空化现象进行了数值计算研究.结果表明,微气泡振动对一些参量很敏感:微气泡振动半径与初始半径的比值随振动频率的增大而减小;提高声场声压会加剧气泡崩塌程度,但过高的声压又不能使微气泡崩塌;微气泡崩塌速率随气泡初始半径的增加而增大,在一定范嘲内能保证空化泡稳定振动,在初始半径为1.6μm处空化程度最强,如果继续增大初始半径则空化程度减弱、甚至消失;微气泡崩塌程度随黏滞系数和表面张力的增大而减弱,过大的黏滞系数和表面张力会使微气泡崩塌难以发生.计算结果与他人的实验数据相比,发现液体的可压缩性使单泡空化强度增强,对最佳空化区域范围的确定有较大的影响.     

功能梯度压电、压磁柱对称问题的振动分析

本文在不考虑体力、体电流和体电荷的情况下, 假定压电、压磁柱壳的材料参数沿圆柱厚度方向呈幂函数分布时, 研究了径向载荷作用下功能梯度压电、压磁空心柱壳的空间柱对称径向振动问题. 首先在柱坐标系下, 由功能梯度材料的参数、本构、梯度和平衡方程推导得出外激励作用下以Bessel函数表示圆柱壳的应力、电势、磁势等物理量的稳态解, 进而对空间柱对称的压电、压磁功能梯度材料动力控制问题进行了理论分析. 可以看出, 当梯度参数时, 即完全退化为横观各项同性压电、压磁柱对称的振动问题, 与文献[16]的基本方程为柱坐标下得出的结果一致. 最后给出数值算例, 结果表明材料不均匀性对沿径向振动各物理量的显著影响, 且用一个特定不均匀性参数值可以优化电磁力耦合的性能, 这在现代工程设计中尤为重要.     

功能梯度压电、压磁柱对称问题的振动分析

本文在不考虑体力、体电流和体电荷的情况下, 假定压电、压磁柱壳的材料参数沿圆柱厚度方向呈幂函数分布时, 研究了径向载荷作用下功能梯度压电、压磁空心柱壳的空间柱对称径向振动问题. 首先在柱坐标系下, 由功能梯度材料的参数、本构、梯度和平衡方程推导得出外激励作用下以Bessel函数表示圆柱壳的应力、电势、磁势等物理量的稳态解, 进而对空间柱对称的压电、压磁功能梯度材料动力控制问题进行了理论分析. 可以看出, 当梯度参数时, 即完全退化为横观各项同性压电、压磁柱对称的振动问题, 与文献[16]的基本方程为柱坐标下得出的结果一致. 最后给出数值算例, 结果表明材料不均匀性对沿径向振动各物理量的显著影响, 且用一个特定不均匀性参数值可以优化电磁力耦合的性能, 这在现代工程设计中尤为重要.     

声场操控微颗粒图案化实验研究

体声波(bulk acoustic wave, BAW)作为一种典型的声场操控方法,能够实现微颗粒三维方向上的直接排列,并因其优良的生物兼容性,在微小生物目标图案化排列方面展示出巨大的应用潜力.在组织工程和生物3D打印等相关应用领域中,微颗粒图案化排列的效率是最终成型质量的关键因素.尽管已有对图案化排列过程中微粒运动的理论描述,但由于微尺度下无法实施高精度测量,难以构建准确可靠的仿真模型,因此影响图案化排列效率的具体因素尚不明确.为了探究影响图案化排列效率的主要因素及其特征,本研究设计并构建了一套可视化实验平台.通过显微视觉系统,精确观察了BAW作用下微颗粒的运动行为以及单个微颗粒的状态变化,分析了压电陶瓷换能器驱动电压、悬浮液浓度、颗粒尺寸和液体黏度对排列时间的影响规律.结果表明,在特定范围内,微球悬浮液浓度的增加会导致排列时间略微延长,然而这种差异并不显著;对于直径范围在10～100μm之间的微球,其尺寸的增大有助于提高排列效率;相较于其他参数,液体黏度对排列效率的影响最为显著.本研究为基于BAW实现微颗粒图案化研究及相关应用提供了重要数据和设计指导,有助于推动生物医学和材料科学等...     

表面应力调制的微流控技术的驱动原理

发展和优化对薄膜、液滴和气泡进行流动控制操作的多功能装置, 要求深入了解界面现象和微流体动力学流动.表面积/ 体积的大比值和低雷诺数流动是此类系统的特点.毛细数和Bond数强烈地受边界效应影响, 因而可以通过各种表面处理和表面力 来进行控制.本文综述了运用调制法向或切向应力, 对均匀的、带化学处理条纹及拓扑结构纹理表面上的微滴和液膜进行驱动 的常用技术的基本原理.     

弹性支撑功能梯度压电多孔微圆柱壳的自由振动分析

旨在研究热-力-电载荷下弹性支撑功能梯度压电多孔微圆柱壳的自由振动。首先,建立弹性支撑功能梯度压电多孔微圆柱壳动力学模型;然后,应用三阶剪切变形壳体理论和修正的偶应力理论,推出弹性支撑功能梯度压电多孔微圆柱壳模态频率的解析解;最后,通过数值算例分析了微圆柱壳模态频率的影响因素。结果表明：Pasternak弹性支撑比Winkler弹性支撑更有利于提高微圆柱壳的模态频率;改变弹性支撑的刚度系数、轴向力、外加电压、孔隙分布、材料体积分数指数和结构尺寸可调节微圆柱壳的模态频率;孔隙体积分数越大,温度或轴向力对模态频率的影响越大,而电压对模态频率的影响则越小;不同材料指数下,增大孔隙体积分数对模态频率的影响趋势不同;弹性支撑会减弱温度、轴向力和电压对模态频率的影响,对薄圆柱壳或短圆柱壳模态频率的影响较为显著。     

压电促动器存在故障时柔性板的μ综合振动主动控制研究

利用柔性板的实验模型研究了一种考虑作动器驱动力故障的鲁棒控制器。首先识别出粘贴压电促动器的柔性板振动控制系统实验模型,基于此利用改变压电片对联接数量来模拟促动器驱动故障,并设计了将驱动力变化提取成正则不确定块对角阵的方法,同时将剩余模态表示成高通滤波器,再通过引入虚拟不确定,构建了考虑外扰抑制和控制增益约束的综合控制器。数值仿真验证了闭环系统理论上的鲁棒稳定性。实测试验结果显示,与一般的μ控制器相比,当闭环过程中出现压电促动器驱动故障时,初始外扰下,控制结束时振幅峰峰值降低了3V,持续随机外扰下,降噪量提高了近3dB。数值仿真验证了闭环系统理论上的鲁棒稳定性。实测试验结果显示,与一般的μ控制器相比,当闭环过程中出现压电促动器驱动故障时,初始外扰下,控制结束时振幅峰峰值降低了3V,持续随机外扰下,降噪量提高近了3dB。