MEMS器件虚拟运行中运动规律求解器的设计与实现

针对虚拟运行（在器件动态模型的基础上对MEMS器件运动性能进行评测的设计工具,其作用在于建立MEMS设计参数与器件运行之间的直接联系）中运动规律的联立、求解和实时仿真等问题,分析了几种典型MEMS器件的动态模型,提出了运动规律求解器的设计原理和体系结构,其中包括三项关键技术：物理运动规律在部件库系统中的形式化表示,物理问题自动求解的推理算法,以及离线编译的优化技术。最后,设计和实现了运动规律求解器原型系统,并在该系统中测试了微泵的虚拟运行,达到了通过修改阀片设计参数和膜片驱动参数实时观察虚拟运行中状态相应变化的目标,即在微泵的设计参数与其运行之间建立了直接的关联关系。     

PZT压电薄膜无阀微泵

介绍了一种基于PZT压电薄膜的无阀压电微泵.该微泵利用自制的压电圆型薄膜片作为驱动部件、聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为泵膜.本文在对微豕制备工艺研究的基础上,对其性能进行了数值和实验研究.建立了基于扩张管/收缩管理论的无阀微泵的有限元模型.利用MFX-AN-SYS/CFX技术实现了对微泵的双向流固耦合分析.对微泵的锥形角、最小宽度、扩散管长度、泵腔高度进行数值计算,得到了优化参数.数值计算的结果与实际测量的数据进行了比较,验证了仿真的正确性.     

介电弹性材料驱动的大流量无阀微泵研究

在对基于介电弹性材料的无阀微泵流量分析基础上,从增加流量的角度出发,分析了结构参数对流量的影响规律,并对微泵泵膜预拉伸率及封装材料对微泵流量的影响进行了实验研究。实验结果表明,采用参数优选后的无阀微泵结构可使微泵的流量大幅度增加,可达到500的流量。该类型无阀微泵在生物医学等微流体系统中的应用具有广泛的前景。     

结合部虚拟材料参数的逆向优化识别方法

考虑结合部的有限元模型是准确分析、预测结构动态响应与振动控制的基础。以哑铃状结构实验模型为研究对象,采用虚拟材料层法对结合部进行等效参数化建模。综合模态实验数据和有限元优化仿真技术,提出了一种简单实用的结合部虚拟材料参数逆向优化识别方法。为关联有限元模型和实验数据,特引入基于仿真和实验固有频率之间差值最小化的目标函数。采用灵敏度法对整体结构模型做局部有限元反解,利用多目标遗传算法优化求解结合部虚拟材料参数。通过对比实验模型、正向模型和逆向模型得到的固有频率,验证了所提方法的正确性和可行性,并进一步探讨了不同预紧力矩对结合部虚拟材料参数的影响。     

环形蠕动微泵的优化仿真和实验

本文分析了矩形截面环形蠕动微泵存在的泄漏问题及其对微泵性能的影响,减小泄漏是提高微泵背压和自吸能力的有效途径.通过Ansys有限元建立二维接触模型,模拟了各参数项对微泵泄漏率的影响,得出影响微泵泄漏率的主要参数为深宽比和挤压力,在一定范围内,深宽比越小、挤压力越大,则密封性越好,通过仿真拟合得到了计算泄漏率的近似公式;根据计算结果,设计制作了具有不同深宽比参数和不同挤压力的微泵,并对比测量了不同参数微泵的流量及背压,实现了最小2%的实际泄漏率.实验结果表明通过仿真拟合公式计算得到的泄漏率与实测泄漏率具有较好的吻合性.通过拟合公式优化设计微泵的结构参数,可有效降低微泵泄漏率,提高流量控制准确性,增大背压和自吸能力.     

轴流式血泵流体特性CFD研究

 在轴流式血泵的研发中,通常将血液当作牛顿流体来处理,考虑到当动脉存在局部狭窄等几何突变情况时,动脉局部流场中可能产生流动剪切率非常低的区域,因此有必要考虑血液的非牛顿特性．建立了轴流式血泵模型,通过CFD仿真分析得到血泵转速和流量的变化对血泵出入口流场的影响,以及血泵导叶对泵体内流场的影响规律,并通过对设计的血泵进行泵水实验,测量了轴流式血泵输出流量和压力参数.结果表明所设计的血泵在驱动性能上和仿真是相符的．     

虚拟制造中的制造系统建模

为了映射真实系统与服务环境之间的相互作用，分析了在虚拟制造环境下制造系统静态模型和动态模型的建模方法，并通过生产系统预规划和动态规划过程，揭示了该模型具有的支持产品制造全过程的特性，最后阐述了原型系统的结构框架以及工业应用的成果。     

收缩管/扩张管型无阀压电微泵的动态特性研究

为了合理地预测收缩管/扩张管型无阀压电微泵泵腔压力脉动,利用流体动力学基本理论以及锥管的特点,给出了无阀微泵的动态数学模型,包括吸入和泵出模式的连续性方程以及泵腔体积变化.采用有限元分析方法,对振动薄膜的最大体积变形量进行了计算.基于微泵动态数学模型,对无阀微泵压力和流量特性进行了仿真研究,分析不同薄膜最大体积变形量和...     

虚拟MEMS加工工艺建模、实现与系统验证

利用虚拟现实技术对MEMS加工工艺进行仿真,并将其引入设计环节,最终可以解决MEMS生产中设计与加工脱节的问题。MEMS加工工艺的核心是工艺模型。首先,在深入分析单步MEMS加工工艺的基础上给出了规则描述的工艺模型,其次,利用专家系统技术实现了系统。进一步用一种全新的器件微流量泵的工艺设计和虚拟加工过程验证了系统的可扩充性。     

工程图学虚拟实验系统开发关键技术研究

针对工程图学虚拟实验的特点,确定了系统控制虚拟模型时的三个需求：获得模型的状态数据、读取模型的几何结构数据、程序动态生成模型。论文研究了Java程序控制VRML的方法,获取VRML模型数据的方法,生成虚拟模型的方法等几个实现模型控制中的关键技术。实验验证,这些关键技术满足系统控制虚拟模型的需求,为解决虚拟实验系统开发中的几个难点问题提供了新手段,也为其他VRML虚拟系统开发提供了有用技术支撑。     

基于MEMS技术的三明治结构被动阀微泵研制

为解决微泵自吸困难、难以实现流速精确控制等问题,利用MEMS技术研制出具有三明治结构和两被动阀的压电驱动微泵,其中泵腔、泵膜和阀片分别由硅、聚二甲基硅氧炕（PDMS）和SU-8构成．从理论上,分别对气体和液体微泵的工作原理、被动阀性能以及结构参数对微泵工作性能的影响进行了分析．综合两类微泵特点,提出了气液两用微泵设计方案、工艺流程及其优化方案．在不同驱动电压条件下测试了具有不同形状泵腔、不同阀口尺寸和不同类型阀片结构的微泵．实验结果表明,该微泵可用于气体和液体介质,气、液体的最大流量分别达到53．6mL／min和1280μL／min;泵腔高度影响到微泵的体积压缩比,是影响微泵自吸的一个重要因素．该泵具有结构简单、自吸、低成本、易于加工及操作方便的特点．     

Performance evaluation of a valveless micropump driven by a ring-type piezoelectric actuator

Presented in this paper is the study of the performance evaluation of a valveless micropump driven by a ring-type piezoelectric actuator. The application of this micropump is to circulate fuel inside a miniaturized direct methanol fuel cell (DMFC) power system. A theoretical model based on the theory of plates and shells is established to estimate the deflection and the volume change of this micropump without liquid loading. Both finite-element method (FEM) and experimental method are applied to verify this model. Using this model, the optimal design parameters such as the dimensions and the mechanical properties of the micropump can be obtained. Furthermore, various system parameters that will affect the performance of the micropump system with liquid loading are identified and analyzed experimentally. It is expected that this study will provide some vital information for many micropump applications such as fuel delivery in fuel cells, ink jet printers, and biofluidics.     

中空纤维微滤膜组件静态操作时过滤通量预测的实验研究

对中空纤维微滤膜组件在静态操作下处理酱油时过滤通量的预测进行了研究 .并从Ruth方程式出发 ,结合静态过滤的特点推导出了简单实用的过滤通量预测公式 .     

以溶胶-凝胶法PZT薄膜为驱动的微泵研制

采用溶胶-凝胶法(sol-gel)制备技术制作了Pb(Zr,Ti)O3(PZT)压电薄膜,并以PZT薄膜为驱动制作了微泵.采用了V型微阀的微泵主要利用PZT的压电效应.针对微泵的关键结构--复合驱动膜,探索了一种Si/SiO2/Ti/Au/PZT/Cr/Au多层驱动膜结构制备方法,解决了在硅基底上制备PZT薄膜的问题,同时探讨并解决了硅各向异性刻蚀微泵的微驱动腔、单向阀的工艺问题,并通过SEM照片对V型阀和多层驱动膜进行了表征.研究结果表明,采用MEMS技术成功地完成了微驱动器的研制,得到的驱动腔硅杯平坦均匀.在V型阀微泵整体设计中需要的硅片数目少,降低了器件的复杂性,可以满足功耗低、小型化和批量生产的要求.     

缩尺比例车辆-轨道垂向振动实验系统研究

在分析车辆-轨道垂向耦合振动模型基础上提出基于相似性原理的缩尺轨道垂向振动实验台,具体阐述其关键参数的计算方法;基于轨道车辆运行设计沿轨道纵向运行的加载小车,实现车辆载荷移动加载;基于虚拟仪器技术实现实验台控制及数据采集。通过对缩尺实验台动力学模型数值仿真、实验结果表明,该缩尺轨道垂向振动实验系统能模拟车辆-轨道垂向耦合振动的低频振动特性。     

基于设计任务的概念设计中产品数字孪生模型的构建

在产品概念设计过程中,明确设计任务,应用数字孪生技术,可以更好地处理大量用户数据、监测功能运行和分析目标产品,促进设计方案的产生。首先,以设计任务为切入点,引入用户因素,集成任务分析法和情景分解法来分解设计任务,构建任务域任务流模型;其次,利用模糊综合评价法量化设计任务,明确设计任务,并对设计任务进行进一步分解,构建物理域实体任务情景模型;基于任务流的走向分析交互通道与虚拟域数据类型,构建虚拟域任务情景模型,完成基于设计任务的数字孪生模型的构建。最后,将这一方法应用于智能分类垃圾桶数字孪生模型的构建,拓展了数字孪生在概念设计中的应用。在产品概念设计阶段将用户因素融入设计任务中,可提高产品的设计质量。     

香菇菌棒包装袋撑圆装置关键技术研究

目的 为了提高香菇包装机的包装效率,提升包装机的整体性能。方法 首先分析研究包装袋基本参数、拉伸特性、人工套袋方式,通过类比人工套袋得到撑圆装置设计方案。基于此方案,对撑圆装置的关键结构尺寸参数进行详细设计。结果 建立了三维模型并导入Ansys进行静力学分析,得到了撑圆装置的应力分布云图。撑圆机构动作过程中受到的最大压应力为2.48 MPa,远小于树脂材料弯曲强度67 MPa;最大变形量为0.175 mm,出现在撑圆机构最前端,不影响后序动作。结论 文中证明了撑圆装置结构设计的合理性和模型建立的准确性,为同类型结构的设计提供一定的理论参考。     

基于虚拟样机的定动瓣成穴机构仿真分析

利用虚拟样机技术在UG和ADAMS软件中建立了一种舵轮式定动瓣穴播器的虚拟样机,在ADAMS的用户界面模块、求解器模块和后处理模块中对穴播器的三维模型和力学模型进行了仿真分析,内容包括运动轨迹、成穴形状、穴孔大小影响因素分析、顺利投种条件等,得到了穴孔大小和穴播器可靠转速仿真数据。对仿真数据进行方差分析和正交试验分析,得到了穴播器结构和参数的优化设计方案,为物理样机的设计和制造提供理论依据。     

静电致动圆形微泵膜片的变形计算

针对静电驱动微泵（micropump）多能量域系统仿真中存在计算量大的问题，基于弹性力学小挠度变形理论和微机电系统中的静电驱动理论，建立了静电力驱动下圆形微泵膜片（membrane）的变形曲面方程，采用伽辽金加权残值法得到膜片变形和泵腔容积变化的半解析式，结果显示膜片的变形和泵的容积变化与驱动电压的平方成正比．采用本文公式建立微泵系统宏模型（macromodel）或集中参数模型，有助于提高微泵系统仿真的计算效率．