磁耦合悬臂梁双稳动力学分析与实验

研究了一个自由端附加小磁铁的悬臂梁在磁力作用下的双稳态动力学行为．首先,利用Hamilton原理和Euler-Bernoulli梁的基本方程建立了系统在非零平衡点处做微幅振动的动力学方程．其次,利用多尺度法对建立的模型进行理论分析,得到悬臂梁在非零平衡点处振动的幅频方程和位移解,并对解进行了稳定性分析．最后,通过建立实验装置,得到悬臂梁不同运动形式下的参数平面分类和悬臂梁在非零平衡点处振动的幅频关系,通过观察系统在非零平衡点处振动的理论预测,实验结果验证了非零平衡点处振动的理论分析的正确性．对照理论、实验和数值结果得到：在不同的外激励幅值和频率作用下,悬臂梁有三种不同的运动形式：在非零平衡点处的微幅振动;大范围往返运动;在两个非零平衡点之间的无规律运动．     

两自由度参数激励摆旋转运动分析和实验

研究具有支撑参数激励摆系统的支撑结构振动对摆旋转的影响,其中支撑结构是受到扭簧约束的刚性悬臂梁,参数激励摆与刚性悬臂梁的悬臂段铰接．首先,通过拉格朗日方程建立了系统两自由度的动力学方程．其次,利用多尺度法对建立的模型进行理论分析,得到悬臂梁的振动与上摆不同运动形式的关系,从而得到上摆不同运动形式下的参数平面分类和悬臂梁在上摆转动时的振动频响．最后,通过建立实验装置,观察理论预测,实验结果验证了理论分析的正确性．实验与理论对照得到,当参数激励频率接近悬臂梁的一阶固有频率时,悬臂梁的振幅变大,会破坏摆的转动稳定性．     

柔性基/硅层合悬臂梁振动响应的有限元分析

应用ABAQUS建立了柔性基/硅层合悬臂梁有限元模型,计算了在位移载荷下,柔性基/硅层合悬臂梁中硅层的应力变化,分析了层厚比的变化对柔性基/硅层合悬臂梁低阶固有频率以及振动响应的影响,并与铝基层合悬臂梁进行了对比。结果表明:柔性基可以大幅减小硅层上的应力;封装层和硅层的层厚比越大,柔性基/硅层合悬臂梁的低阶固有频率越大;同时,位移和速度响应明显减小,响应的周期也减小。表明增大封装层和硅层的层厚比,可以有效地提高柔性基/硅层合悬臂梁的整体性能和稳定性,提高其抗冲击性能。反之,会增大柔性基/硅层合悬臂梁发生共振现象的概率,不利于其整体稳定性的提升。此研究结果可为柔性电子器件结构振动特性的优化设计提供理论参考。     

矩形弹性壳液耦合系统中的重力波分析

根据非线性动力学理论，建立了矩形壳液耦合系统的非线性振动方程组，通过数值求解，发现当激振频率为壳体固有频率与重力波频率之和，且激振力足够大时，会产生大幅低频重力波，通过实验验证，发现了壳液耦合系统中存在的大幅低频重力波现象，实验结果与理论结果基本吻合。     

圆柱形弹性壳液耦合系统大幅低频重力波振动机理的研究

以圆柱形弹性壳液耦合系统为研究对象,根据非线性振动理论,建立了多自由度的非线性振动方程。通过数值计算,发现当激振力足够大,且激振力的频率在壳体固有频率与重力波固有频率之和的一个窄频带内时,会产生大幅低频重力波。从而解释了这一现象产生的振动机理。理论结果与实验结果基本吻合。     

电光调制器在光纤陀螺中的应用研究

本文分析了集成光学电光调制器的应用特性；并以方波相位偏置调制为例，研究了光纤陀螺中的相位调制误差；提出一种在光纤陀螺开环调试中测定光纤环传输时间和调制器半波电压的实用方法。     

数字闭环光纤陀螺死区机理分析

结合工程实际，对基于集成光学多功能芯片的数字闭环光纤陀螺中的死区机理进行理论分析，并进行了实验验证。相位调制器的模拟驱动电压信号在数字反馈阶梯波复位作用下能产生不同的工作模式，探测器的输出微弱信号因此受到幅值和相位均不同的电子串扰。以方波调制和四态波调制为例，研究了光纤陀螺中电子串扰的作用方式、电子串扰的转换方式和形成死区的过程等问题。在上述基础上，根据需要设计了专门的可编程的光纤陀螺高速数据采集电路，对死区机理进行了研究试验。最后还从优化陀螺电路印制板设计和优化信号调制解调算法等方面进行阐述，以解决数字闭环光纤陀螺死区问题。     

阶梯压电层合梁的波动动力学特性

采用行波理论系统地研究了压电阶梯梁的自由振动分析以及强迫响应的分析方法. 基于分布 参数理论研究了压电阶梯梁的波传播特性，忽略柔性梁横向剪切和转动惯量的影响，给出了 梁的轴向和横向的简谐波解. 将压电阶梯梁离散化为单元，考虑压电片的刚度和质量的影响， 建立了节点散射模型. 应用位移连续和力平衡条件，推导了节点的波反射和波传递矩阵，在 此基础上，引入波循环矩阵的概念，给出波循环矩阵、波传递系数矩阵的确定方法. 应用波 循环矩阵可以有效地计算结构的固有频率. 另外，应用波传递系数研究了压电陶瓷作动器位 置对其驱动能力的影响. 得出两个主要结论：1)作动器靠近悬臂梁固定端将有较强的驱动 能力，悬臂梁边界反射行波产生弯曲消失波有利于增大压电波的模态传递系数；2)模态传 递系数与固有频率的灵敏度密切相关，波传递系数越大, 对应该处固有频率变化灵敏度越大. 另外，数值算例表明了行波方法比有限元方法具有更高的计算精度.     

连续小波变换在损伤探测中的应用

本文选取Gabor小波作为母函数，采用连续小波变换对含裂纹悬臂梁中的弯曲波进行分析，提取波动信号中某一频率分量上的入射波、反射波及透射波信号，由此可以准确地检测出悬臂梁的损伤位置，并对可其损伤程度做出定性估计。实验结果表明，这是一种行之有效的损伤检测方法，可以推广应用到复杂结构的损伤检测中去。     

基于MEMS的光力学红外成像

非制冷红外成像仪以其优良的性价比和高可靠性而倍受关注。近期 ,非制冷的热机械型红外成像仪有望发展成为新的低价格高性能的红外成像设备。本文提出了一种新型光学读出的红外探测仪。此红外探测仪的核心器件焦平面阵列 (FPA)由无硅基底结构的微悬臂梁阵列构成。每个微悬臂梁独立地把入射的红外热辐射转化为被光学系统探测的热变形。它不需要读出电路、真空腔和制冷装置 ,其理论上的噪声等效温度差接近致冷型红外成像系统 ,而制作成本和难度将大幅降低。制作的无硅基底单层膜结构的FPA ,其单元尺寸为 2 0 0 μm× 1 0 0 μm ,阵列大小为 1 5 0× 1 0 0像素数。实验制作的系统探测到温度为 5 0 0K左右的热物体像 ,热像采样频率为 1 2幅 /秒。     

Study on the generalized thermoelastic vibration of the optically excited semiconducting microcantilevers

In this paper, the theory of coupled plasma, thermal and elastic wave was used to study the vibration of semiconducting microcantilevers during photothermal process. The generalized thermoelastic model was adopted, along with plasma wave model, to obtain the vibration response of semiconducting microcantilevers under periodical laser excitation. The influence of thermal relaxation time on the vibration was investigated. The conventional and generalized thermoelastic theories for the temperature and deflection of microcantilever were compared. The simulation results for the amplitude and phase versus the modulation frequency revealed that near resonance frequency the generalized hyperbolic thermoelastic model was more suitable to describe the vibration characterization of microcantilevers than the conventional thermoelstic model.     

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。     

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.     

光热激励下微悬臂梁在流体中的振动研究

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.      

NONLINEAR VIBRATION RESPONSE AND BIFURCATION OF CIRCULAR CYLINDRICAL SHELLS UNDER TRAVELING CONCENTRATED HARMONIC EXCITATION

The nonlinear vibration of a cantilever cylindrical shell under a concentrated harmonic excitation moving in a concentric circular path is proposed. Nonlinearities due to large-amplitude shell motion are considered, with account taken of the effect of viscous structure damping. The system is discretized by Galerkin's method. The method of averaging is developed to study the nonlinear traveling wave responses of the multi-degrees-of-freedom system. The bifurcation phenomenon of the model is investigated by means of the averaged system in detail. The results reveal the change process and nonlinear dynamic characteristics of the periodic solutions of averaged equations.     

非线性压电效应下压电弯曲执行器的动力分析

研究压电弯曲执行器在强电场作用下的非线性动力行为．考虑电致伸缩和电致弹性的非线性压电效应,导出了压电悬臂执行器变刚度的弯曲振动控制方程．利用非定常振动的渐近理论,讨论了弯曲压电执行器的动力特征．根据目前的非线性模型可以计算压电悬臂执行器的固有共振频率与电场的变化关系．结果表明压电执行器端头挠度谐振幅度随作用电场振幅的增大而增大,以及力学品质因数随电场振幅的增大而减少,并且与实验结果非常吻合．通过数值比较得到在电场频率随时间变化非常缓慢的情况下非定常振动问题可以近似地用定常振动来处理．     

Laser-induced vibrations of micro-beams under different boundary conditions

In this study, the vibration phenomenon during pulsed laser heating of a micro-beam is investigated. The beam is made of silicon and is heated by a non-Gaussian laser beam with a pulse duration of 2 ps, which incites vibration due to the thermoelastic damping effect. The coupling between the temperature field and stress field induces energy dissipation and converts mechanical energy into heat energy, which is irreversible. An analytical–numerical technique based on the Laplace transform is used to calculate the vibration of the deflection and thermal moment. A general algorithm of the inverse Laplace transform is developed. The validation of this algorithm is obtained through comparison with numerical results obtained by the FEMLAB software package. The effect of laser pulse energy absorption depth is studied. The size effect and the effect of different boundary conditions are also analyzed. Finally, the damping ratio and resonant frequency shift ratio of beams due to the air damping effect and the thermoelastic damping effect are compared.     

Vibration control of a transversely excited cantilever beam with tip mass

The problem of controlling the vibration of a transversely excited cantilever beam with tip mass is analyzed within the framework of the Euler–Bernoulli beam theory. A sinusoidally varying transverse excitation is applied at the left end of the cantilever beam, while a payload is attached to the free end of the beam. An active control of the transverse vibration based on cubic velocity is studied. Here, cubic velocity feedback law is proposed as a devise to suppress the vibration of the system subjected to primary and subharmonic resonance conditions. Method of multiple scales as one of the perturbation technique is used to reduce the second-order temporal equation into a set of two first-order differential equations that govern the time variation of the amplitude and phase of the response. Then the stability and bifurcation of the system is investigated. Frequency–response curves are obtained numerically for primary and subharmonic resonance conditions for different values of controller gain. The numerical results portrayed that a significant amount of vibration reduction can be obtained actively by using a suitable value of controller gain. The response obtained using method of multiple scales is compared with those obtained by numerically solving the temporal equation of motion and are found to be in good agreement. Numerical simulation for amplitude is also obtained by integrating the equation of motion in the frequency range between 1 and 3. The developed results can be extensively used to suppress the vibration of a transversely excited cantilever beam with tip mass or similar systems actively.     

The response of nonlinear systems to modulated high-frequency input

We study the response of a single-degree-of-freedom system with cubic nonlinearities to an amplitude-modulated excitation whose carrier frequency is much higher than the natural frequency of the system. The only restriction on the amplitude modulation is that it contain frequencies much lower than the carrier frequency of the excitation. We apply the theory to different types of amplitude modulation and find that resonant excitation of the system may occur under some conditions.