STUDY ON THE VIBRATION OF MICROCANTILEVERS IMMERSED IN FLUIDS UNDER PHOTOTHERMAL EXCITATION

微悬臂梁结构广泛应用于微纳电子机械系统. 在实际应用中,涂层和工作环境的变化对微悬臂梁结构动态工作模式有着不容忽视的影响. 运用流体中双层微悬臂梁的光热振动模型,研究了在激光光热驱动下,金涂层微悬臂梁在不同流体中的振动特性. 理论上得到了微悬臂梁的温度场,光热驱动力和振动变形场的解析表达式. 研究结果表明,流体环境对微悬臂梁的光热振动谱有显著的影响,主要表现在共振频率的偏移和品质因子的变化两个方面. 相比较于悬臂梁在真空中的响应,当悬臂梁在空气中振动时,共振频率向低频产生微小的漂移（0.7%）,共振峰未发生明显变化;然而,当悬臂梁在液体中振动的时候,共振频率向低频产生巨大的漂移（58%~80%）,而且品质因子发生量级上的减小,共振峰发生了畸变. 本研究对微纳探测以及原子力显微镜等仪器的设计优化,有着一定的理论指导意义.     

光热激励下功能梯度梁在流体中的振动

通过建立流体中功能梯度梁的光热振动模型,研究了在激光光热驱动下功能梯度梁在不同流体中的振动特性。将功能梯度材料的参数等效化处理得到了简化的热传导方程和振动控制方程,并求解得到了不同边界条件下功能梯度梁的温度场、光热驱动力和振动变形场的解析表达式。数值计算表明:对于本文选取的金和硅组成的功能梯度材料,梁的共振频率随梯度因子的增大而减小;梁在不同流体环境中振动时,共振频率会向低频漂移;梁的尺寸以及梯度因子会影响漂移程度,边界条件的影响较小;当梁的厚度减小时,频率漂移比增大,品质因子减小。     

利用时滞控制非线性饱和控制减振系统减振频带漂移

本文主要研究非线性饱和控制减振系统中由于内共振频率偏差引起的减振频带的漂移问题,在该减振系统中考虑时滞对振动系统减振频带漂移以及减振频带宽度的影响,从而利用时滞来控制系统减振频带的漂移问题。采用多尺度方法得到了主共振和1：2内共振同时发生时系统运动方程的解析解。研究结果表明,对原始的无时滞减振系统,由于内共振频率偏差的存在,使得系统的减振频带向主共振点上、下两个方向漂移,并且内共振频率偏差的绝对值越大减振频带漂移的程度也越大,使得减振频带的分布不合理,造成主共振点附近减振效果明显下降。然而,根据内共振频率偏差的变化,适当调节系统中的时滞参数,可以消除减振频带的漂移,同时又能够增大减振频带的宽度。研究还表明,内共振频率偏差的绝对值越大时滞对消除减振频带漂移以及增大减振频带宽度的作用越显著。本文结论对于非线性振动系统的结构振动控制在定性和定量方面都具有参考价值。     

基于碰撞升频的MEMS压电振动能量采集系统

本文提出了一种基于碰撞升频机制的微型压电能量采集系统，由一对共振频率不同的悬臂梁平行叠放组成。在外界低频振动激励下，底部低频S形金属曲梁产生共振，在运动过程中碰撞顶部高频微型压电直梁，从而将低频环境振动转换为高频压电梁的振动，解决了压电直梁的固有频率与外界激励频率不匹配问题，同时提高能量收集的效率。本文建立了悬臂梁受迫振动和碰撞耦合振动的动力学模型，讨论了压电悬臂梁的电压输出特性。通过实验测试了压电能量收集系统和单个压电悬臂梁的开路电压并计算了输出功率，结果表明当振动加速度为1.0 g时，升频式压电能量采集系统在25 Hz的激振下输出功率达到8.6 μW，高于单个压电悬臂梁的最大输出功率。     

反共振流体浮筏的隔振特性研究

基于反共振原理, 设计了一种新型的流体浮筏隔振器. 应用流体动量方程和结构振动理论推导了该隔振器的数学模型, 分析了其隔振特性, 得到了最优隔振频率和浮体浸入流体深度的关系式. 仿真结果表明, 当浮体浸入流体深度在有限的范围内变化时, 新型隔振器会在从低频到高频的宽带内发生反共振现象. 反共振条件下的力传递率可降至极低水平.流体浮筏隔振器具有很好的(尤其是低频)隔振效果.     

基于局域共振声子晶体结构的低频振动能量回收研究

通过对局域共振型声子晶体的带隙机理及其对能量的局域化作用的分析,提出了一种用于回收环境低频振动能量的新型局域共振结构,并结合有限元方法对此新型结构的振动特性和能量回收能力进行了分析和研究。根据结构的共振模态和“质量-弹簧”系统简化模型,改变结构的材料和几何尺寸可以使结构的前7阶共振频率降到50~250Hz的低频范围。在此基础上发展了一种低频宽带多核结构,在250Hz以下拥有几十甚至更多的共振频率,最低频率低至20Hz,进一步优化了结构的低频宽带共振特性。利用有限元软件对有限结构的频率响应和压电特性进行分析,证实了新型局域共振结构的对环境中低频振动能量的回收能力,并满足了环境振动能量回收的宽带要求。该结构可以应用于各种便携式设备、无线传感器和微机电等自供电系统中,从低频振动环境中的获取能量为自身供电。     

黏性流体环境下V型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

V型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用, 该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂, 直接影响器件的动态性能.本文针对V型结构变截面、变刚度等复杂几何特征, 建立了黏性流体环境下V型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型, 导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数, 确定了截面孔宽比和频率参数影响下V型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中V型梁结构的频率响应特性.同时, 设计了多种不同几何尺寸的V型梁结构, 并在水环境中开展了实验验证, 结果表明, 实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好, 验证了V型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外, 基于该流固耦合动力学模型, 详细分析了不同流体黏度、V 型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.      

参数激励下静电驱动MEMS共振传感器的非线性动力特性研究

静电驱动微机电系统(MEMS)共振传感器因其结构简单、应用广泛等优点引起了研究人员广泛的关注,共振传感器件耦合系统在非线性静电力、压膜阻尼、参数激励下呈现出较复杂的非线性振动、不稳定性、分岔与混沌行为.提出参数激励作用下静电驱动微机电系统中梁式微结构共振传感器的动力学模型,采用多尺度方法对微系统的动力学方程进行摄动分析,探讨直流偏置电压、压膜阻尼和交流激励电压幅值对系统频率响应、共振频率的影响规律,结果表明:直流偏置电压和交流电压幅值都具有软化效应,且使共振频率漂移到较小的数值范围,压膜阻尼对共振频率的影响较小,但是增大压膜阻尼会使稳态振幅的峰值明显下降,为静电驱动微机电系统共振传感器的动力学分析与设计提供参考.     

时滞对非线性饱和控制减振频带漂移的影响

主要研究非线性饱和控制减振系统中由于内共振频率偏差引起的有效减振频带的漂移问题. 在该减振系统中分别考虑控制信号、反馈信号以及自反馈信号的时滞对振动系统有效减振频带漂移以及有效减振频带宽度的影响, 从而通过调节控制信号、反馈信号以及自反馈信号的时滞量, 来控制系统有效减振频带的漂移. 研究结果表明: (1) 在原始的无时滞减振系统中, 由于内共振频率偏差的存在, 使得系统的有效减振频带向主共振点的上、下两个方向漂移, 并且内共振频率偏差的绝对值越大, 有效减振频带漂移的程度也越大, 使得系统有效减振频带的分布不合理, 导致振动控制效果降低; 但是, 根据内共振频率偏差的变化, 可以通过适当调节控制信号和反馈信号的时滞, 或者也可以调节自反馈信号的时滞, 在消除有效减振频带漂移的同时又增大有效减振频带的宽度. (2) 内共振频率偏差的绝对值越大, 控制信号和反馈信号的时滞、或者自反馈信号的时滞对消除有效减振频带漂移以及增大有效减振频带宽度的作用越显著.      

黏性流体环境下Ⅴ型悬臂梁结构流固耦合振动特性研究

Ⅴ型悬臂梁结构在原子力显微镜、微纳机械传感器件中得到了广泛应用,该结构通常在黏性流体环境下实现精密检测、传感与性能表征,同时也会使得结构的流固耦合振动特性更为复杂,直接影响器件的动态性能.本文针对Ⅴ型结构变截面、变刚度等复杂几何特征,建立了黏性流体环境下Ⅴ型悬臂梁结构的流固耦合动力学模型,导出了基于截面孔宽比参数的梁结构的修正水动力函数,确定了截面孔宽比和频率参数影响下Ⅴ型悬臂梁结构的水动力函数;理论分析得到了黏性流体中Ⅴ型梁结构的频率响应特性.同时,设计了多种不同几何尺寸的Ⅴ型梁结构,并在水环境中开展了实验验证,结果表明,实验所得频率响应与理论分析结果吻合较好,验证了Ⅴ型梁结构水动力函数修正表达式及流固耦合动力学模型.此外,基于该流固耦合动力学模型,详细分析了不同流体黏度、Ⅴ型梁角度及尺寸变化对耦合系统振动特性的影响.     

一种新型微梁阵列传感器设计及实现

微悬臂梁传感技术是微纳传感技术研究的热点,仪器装置的研究也从单悬臂梁向微梁阵列的方向发展.本文针对间距为250μm的商品化微梁阵列,提出了一种实现对其弯曲变形的读出系统光路.利用高精度位移平台调节激光器空间位置,使光束实现微距离上平行,并分别照射在阵列梁的相邻微梁上.用位置敏感探测器对两个微悬臂梁尖端反射的激光信号进行...     

关于轻敲式原子力显微镜动力学系统中能量耗散的研究

原子力显微镜是一种典型的微纳谐振器,其核心部件是一个对微弱力极敏感的微悬臂梁探针,当它在不同的环境工作时,存在着各种不同形式、不同性质的能量耗散,这些能量耗散与系统的相位图像有着密切的联系.在众多的耗散机制中,只有针尖与样品的黏附接触耗散才能真正反映样品的性质,其他耗散会降低黏附接触耗散在系统总耗散中的占比,使得图像中的有效信息被削弱.因而,明确其他耗散对系统品质因数的量级贡献是十分重要的,这有助于提高图像的品质.为了研究这些耗散,本文根据耗散机理产生的原因对不同的能量耗散进行了细致的分类,系统总结了各种能量耗散的类型.之后,通过理论、实验和仿真的方法探究了在不同环境下、不同位置处微悬臂梁探针的能量耗散,明确了不同耗散对系统品质因数的量级贡献.然后,对于不同流体环境下的能量耗散,对比了它们的作用机理及量级大小.最后,对于在大气环境下工作的原子力显微镜探针,研究了它在振动过程中从高于样品表面到下降并接触样品这一连续过程中不同阶段存在的能量耗散,分析表明,在这些能量耗散中对系统品质因数影响最大的是由空气引起的耗散,包括空气黏性阻尼,压膜阻尼及液桥耗散.     

接触共振频率与摩擦噪声频率之间关系的试验研究

在金属往复滑动试验机上用2种尺寸不同和结构略有差别的球-平面摩擦副系统,对接触共振与摩擦噪声的相关性进行了试验研究.结果表明:摩擦系统的接触共振频率非常接近于摩擦噪声频率,两者相对误差不大于2%~5%.对发生尖叫噪声的磨痕形貌进行SEM扫描电镜分析发现:摩擦噪声的发生与摩擦过程中微凸体之间的锤击相互作用有着密切的联系,通过接触共振试验可以辨识实际滑动摩擦系统中最容易发生摩擦噪声的模态频率.     

惯容器对隔振系统动态性能影响研究

本文设计了一种滚珠丝杠惯容器及ISD隔振系统,通过实验研究了惯性轮的转动惯量对惯容值的影响;同时,分析了滚珠丝杠惯容器的机械动力学特性,推导了ISD隔振系统的振动传递率计算公式,探讨了惯容器对ISD隔振系统动态特性的影响。在电机被动、主动和混合隔振工况下,开展了弹簧阻尼系统和ISD隔振系统的振动性能对比实验,验证了惯容器对振动系统固有频率和减振效果的影响规律。研究结果表明,惯容器可降低振动系统的固有频率,使共振频率向低频移动,共振振幅降低;在共振频率附近,惯容器可抑制共振振幅,惯容值越高,抑制效果越明显;ISD隔振系统在低频的减振效果优于传统的弹簧阻尼系统;随着频率比的增加,ISD隔振系统的传递率趋于稳定值,惯容器会引起高频隔振性能降低。     

微纳通道谐振器检测与表征中的动力学问题

微纳通道机械谐振器在液体环境中具有超高的谐振频率、品质因子和灵敏度,常用于液体环境中的高精度检测与表征,在生物、医药、化工等领域有着广阔的应用前景.微纳通道机械谐振器的检测与表征功能高度依赖其动力学特性,而此类器件是由谐振结构、内部流体、被检测物和外部激励等多因素组成的耦合系统,涉及的动力学问题较为复杂,已成为谐振器件研究中的前沿热点和瓶颈问题.本文综述了微纳通道机械谐振器的研究进展,总结了谐振器件实现高精度检测与表征功能时的动力学设计原理,详细讨论了谐振器件的稳定性、频响特性、能量耗散、频率波动等动态特性,阐明了不同动力学问题的物理机制及其对谐振器性能的影响规律,可为深入厘清微纳通道机械谐振器的动力学设计问题,提高器件动态性能提供理论参考和技术支撑,对超高频、超高灵敏度谐振器的设计、制造及应用发展具有重要意义.     

附磁压电悬臂梁流致振动俘能特性分析

流致振动蕴含巨大的能量, 本文基于流致振动理论,设计了一种附加磁力激励的压电悬臂梁流致振动俘能器,并通过理论和实验研究其振动俘能特性.该俘能器由压电悬臂梁、圆柱绕流体和磁铁组成;首先基于Euler-Bernoulli梁理论,推导了流致振动附磁压电俘能器的能量函数,利用Hamilton原理建立了流致振动附磁压电俘能器的机电耦合方程;利用数值方法研究详细分析了流速、圆柱绕流体直径和长度、磁间距、磁极和外接电阻等系统参数对压电俘能器振动特性和输出电压的影响.分析结果表明, 该型压电俘能器的振动幅值在低流速条件下产生涡激振动,并产生最大的输出电压;磁力可以降低压电俘能器的共振频率并能够拓宽压电俘能器频带带宽,因此,附磁压电俘能器具有相比没有附磁的压电俘能器更适用于低速层流环境;实验结果与数值结果吻合较好,验证了附磁压电悬臂梁流致振动俘能器的理论分析的正确性.      

附磁压电悬臂梁流致振动俘能特性分析

流致振动蕴含巨大的能量,本文基于流致振动理论,设计了一种附加磁力激励的压电悬臂梁流致振动俘能器,并通过理论和实验研究其振动俘能特性.该俘能器由压电悬臂梁、圆柱绕流体和磁铁组成;首先基于Euler-Bernoulli梁理论,推导了流致振动附磁压电俘能器的能量函数,利用Hamilton原理建立了流致振动附磁压电俘能器的机电耦合方程;利用数值方法研究详细分析了流速、圆柱绕流体直径和长度、磁间距、磁极和外接电阻等系统参数对压电俘能器振动特性和输出电压的影响.分析结果表明,该型压电俘能器的振动幅值在低流速条件下产生涡激振动,并产生最大的输出电压;磁力可以降低压电俘能器的共振频率并能够拓宽压电俘能器频带带宽,因此,附磁压电俘能器具有相比没有附磁的压电俘能器更适用于低速层流环境;实验结果与数值结果吻合较好,验证了附磁压电悬臂梁流致振动俘能器的理论分析的正确性.     

薄壁件加工系统动态响应分析

薄壁件在铣削加工中容易产生共振或变形，直接影响加工稳定性及加工精度。采用主轴-刀具-工件整体铣削系统连续梁模型，系统研究在动态铣削力作用下，刀具端部与工件端部的动态响应之间的相互影响关系以及对整体系统动态响应影响较大的薄壁件尺寸。结果表明，工件横截面高度对系统共振的影响较为明显，当高度尺寸较小时，工件的低频共振会通过动态铣削力直接反映到刀具端部的振动频响上。工件横截面底边宽度尺寸的增大虽然对共振频率的改变不太明显，但会导致激发出来的刀具共振幅度出现明显降低。研究成果可以为薄壁件铣削加工系统的稳定性控制提供理论基础。     

悬臂梁弯曲共振法自由阻尼结构试件设计研究

用悬臂梁弯曲共振法测量阻尼材料动态力学参数时,试件设计是否合理直接决定了测量结果的可信度.考虑到复合试件基底层材料阻尼的影响,本文对测量理论进行了改进,得到了考虑基底层阻尼影响的悬臂梁弯曲共振法测量方程.仿真结果表明忽略基底层阻尼将会导致杨氏模量和损耗因子测量精度降低,并且损耗因子测量误差对基底层阻尼变化更敏感.这为基底材料的选用提供了一定的理论依据.本文还结合误差放大因子的概念,对试件设计若干关键参数进行了灵敏度分析,得到了一组对悬臂梁弯曲共振法自由阻尼结构试件设计具有指导意义的结论.     

微纳通道谐振器检测与表征中的动力学问题

微纳通道机械谐振器在液体环境中具有超高的谐振频率、品质因子和灵敏度,常用于液体环境中的高精度检测与表征,在生物、医药、化工等领域有着广阔的应用前景.微纳通道机械谐振器的检测与表征功能高度依赖其动力学特性,而此类器件是由谐振结构、内部流体、被检测物和外部激励等多因素组成的耦合系统,涉及的动力学问题较为复杂,已成为谐振器件研究中的前沿热点和瓶颈问题.本文综述了微纳通道机械谐振器的研究进展,总结了谐振器件实现高精度检测与表征功能时的动力学设计原理,详细讨论了谐振器件的稳定性、频响特性、能量耗散、频率波动等动态特性,阐明了不同动力学问题的物理机制及其对谐振器性能的影响规律,可为深入厘清微纳通道机械谐振器的动力学设计问题,提高器件动态性能提供理论参考和技术支撑,对超高频、超高灵敏度谐振器的设计、制造及应用发展具有重要意义.