梯形变截面梁蟹腿加速度计系统设计

结合蟹腿加速度计系统动态响应、稳定性和灵敏度对支撑梁刚度的要求,设计并优化了一种梯形变截面梁,满足加速度计的不同方向刚度要求。建立加速度计的动力学模型,得到系统动态响应性能参数与梁刚度关系;建立梯形变截面梁纯弯曲的数学模型,推导出梯形变截面梁刚度和尺寸关系;分析强度对尺寸要求;通过对加速度计系统稳定性和灵敏度分析,对梁结构提出了要求。在非检测方向同等刚度条件下,梯形变截面梁与等截面梁相比,危险截面处应力相当而检测方向刚度减小,系统灵敏度提高,提高系统动态输出特性,质量大幅减轻。     

MEMS中梯形变截面梁优化设计

MEMS器件结构设计影响传感器的性能。为了提高加速度计系统稳定性,选用梯形变截面梁减小应力集中,同时将检测方向刚度和非检测方向刚度差值最大,减小交叉灵敏度并提高工作稳定性;为使系统动态特性达到最佳,选用合适的阻尼比ξ,计算出梁检测方向理论刚度。建立梯形变截面梁的力学模型,得到梯形变截面梁刚度方程,并给出了梁的强度。梯形等截面梁和梯形变截面梁同等刚度条件下,变截面梁质量稍微增加,但危险截面处应力大幅下降。     

周期变截面梁刚度分析的均匀化方法

现代优化设计导致周期变截面梁广泛存在于工程实践,周期变截面梁的刚度分析方法是工程人员研究的热点问题。该项研究基于边界位移等效和截面转角等效原理,运用均匀化方法和Timoshenko梁理论,并借用ANSYS有限元分析软件,推导出周期变截面梁的等效抗弯刚度和等效剪切刚度,提出了一种周期变截面梁刚度分析的新方法。并针对工程实例,通过试验和方法的计算,一致的结果验证了提出的方法是一种精度较高、可行的周期变截面梁刚度分析工程方法。     

基于几何反弹簧结构的高分辨率MEMS加速度计北大核心CSCD

为了提高MEMS加速度计分辨率和灵敏度,提出并设计了一种基于几何反弹簧原理的新型MEMS加速度计结构。拟采用静电力将加速度计静态工作点设置在梁低刚度位置来提高灵敏度。首先通过理论计算和有限元仿真,分析了几何反弹簧结构实现准零刚度的原理,并优化了关键几何参数;其次基于免划片SOI工艺完成了MEMS芯片制作;最后搭建了开环测试电路进行测试验证。测试结果表明:施加25 V偏置电压后,加速度计灵敏度从46.3 mV/g提高至51.1 mV/g,线性度为0.99%。验证了静电偏置几何反弹簧结构通过降低刚度系数来提高加速度计的灵敏度的可行性。     

复杂载荷变刚度静不定梁通用力学模型及变形方程

对复杂载荷下变刚度静不定梁建立了一种通用力学模型，得出梁任一截面的变矩方程。通过对变矩方程的积分和积分后方程的递推，推导出梁任意截面的转角和挠度变形的一般方程，并给出工程计算实例。该方程易于采用计算机处理，为复杂载荷下变刚度静不定梁程序化求解提供基础。     

轿车白车身概念设计阶段梁截面优化设计

轿车白车身刚度对整车的噪声、耐久性和安全性等都至关重要。在以梁壳单元建立的白车身线框模型基础上,推导薄壁梁截面特性参数的计算方法,引入比例向量为截面形状变化参数和设计变量,通过对白车身刚度进行灵敏度分析,以质量为优化目标,弯曲和扭转刚度为约束,得出车身的优化方案,并进一步推导得出目标梁的截面形状优化结果。优化结果表明,该方法能够在概念设计阶段为设计者提供有效的设计参考,缩短设计周期、提高设计质量。     

基于绝对节点坐标法的柔性梁结构动态特性参数灵敏度分析

大尺寸柔性梁结构的刚度与材料力学特性和截面尺寸直接相关。考虑柔性梁结构的大变形特征,研究的材料参数和截面特性对其运动学和动力学的灵敏度特性具有重要的意义。基于绝对节点坐标法,对定截面梁单元进行建模,利用非线性介质力学方法推导其刚度矩阵,建立柔性梁结构动力学方程。基于直接微分法分析单摆梁末端对材料弹性模量和梁单元截面特性的灵敏度,利用灵敏度曲线,对梁结构的可靠性进行计算。结果表明,随着材料弹性模量的逐渐增大,单摆梁末端最低值对其灵敏度逐渐减小并趋向于0;单摆梁对截面高度的灵敏度比截面宽度更大,随着截面宽度和高度的增大,单摆梁末端最低值对其灵敏度逐渐减小并趋向于0。通过响应面及灵敏度曲线获得特定阈值下梁结构的参数值并分析其可靠性。     

变截面格构式结构轴压临界力的高效分析方法

变截面格构式结构为工程实际中常见的复杂杆系结构,为高效、准确地分析其轴压稳定性问题,利用三次样条函数建立变截面格构式梁单元的位移场,基于有限元插值理论推导变截面梁单元的切线刚度矩阵.通过静力凝聚法消除单元节点的曲率自由度,获得一种全新的两节点变截面格构式梁单元.基于该新型变截面格构式梁单元,采用有限单元法研究悬臂变截面格构式结构和中间等截面两端变截面的组合格构式结构在典型约束下的失稳临界力,并将计算结果与Timoshenko精确解进行对比.结果 表明,推导的变截面格构式梁单元是正确的和有效的,该新型梁单元可高效的应用于变截面格构式结构轴压临界力分析.     

阶梯形变截面梁刚度的简便计算

本文以悬臂梁为例,用当量惯性矩将变截面梁转化为刚度相当的等截面梁处理,计算梁端的刚度。一、刚度计算公式推导下述为 n 段阶梯形变截面梁。设梁除端部受有轴向压力 N、横向力 P 和力矩 M 作用外,还受自重引起均布载荷 q。将坐标原点     

考虑应力分布约束的压电全向加速度计梁结构优化设计

针对全向加速度计柔性支撑结构应力集中问题,以压电加速度计高灵敏度为目标,建立了考虑应力分布状态的新型全向加速度计柔性支撑结构优化设计模型。借助遗传算法,通过协同优化初始长度15 mm压电曲梁不同部位的曲率和直径,得到了具有变截面特征的压电全向加速度计曲梁支撑结构。数值实验结果表明,所得到的3压电曲梁支撑加速度计解算的全向灵敏度为传统3直梁支撑加速度计的2.5倍,且结构的最大应力仅为传统直梁结构的70%～90%。由于应力降低,曲梁加速度计的加速度线性测量范围扩大为传统直梁加速度计的1.2倍。在1～81 Hz加速度下,曲梁加速度计解算的全向灵敏度为0.7～1.3 V/g,为直梁加速度计的1.6～2.9倍。该设计解决了通过直接改变梁结构形式难以实现传统梁结构加速度计高灵敏低应力响应的问题。     

高量程加速度计的力学性能分析

提出一种计算加速度计灵敏度和频率的改进方法。该方法在计算微结构的灵敏度和频率时考虑质量块的变形及梁的质量。得到的结果表明，当梁与质量块的厚度比变得较大时，梁的上表面的最大拉应力值不再等于最大压应力值。该方法计算得到的频率和忽略质量块变形与梁质量所得到的频率与ANSYS模拟相比，偏差由90％下降到15％。最后进行了静态测试，结果与改进模型基本相符。     

机械弹性车轮径向刚度和阻尼模型的分析

针对新型机械弹性车轮刚度特性,利用曲梁理论建立了弹性基础封闭圆环曲梁模型,对车轮刚度与輮轮抗弯刚度、铰链组弹性基础刚度及激振频率之间的关系进行了分析。结合车轮静态和动态试验分析结果,验证了根据曲梁理论所建模型的正确性,并分析了车轮刚度与车轮变形量、变形速率及激振频率之间的解析关系。根据分析结果建立了车轮刚度和阻尼的非线性解析模型,该模型反映了车轮变形量和激振频率对车轮刚度的影响,以及车轮变形速率和激振频率对车轮阻尼的影响,从而为车轮结构振动的进一步研究提供指导。     

新型光纤光栅加速度传感器的设计与实现

利用光纤光栅作为基本传感元件，设计制作了一种基于悬臂梁结构的新型光纤光栅加速度传感器。测量范围＋／-10g，灵敏度10mg，测量频率小于100Hz。与光纤加速度传感器相比，光纤光栅加速度传感器具有更高的稳定性及抗干扰能力。并且由于光纤光栅本身的波分复用的特性，可以很方便地构成加速度传感网络进行测量。     

力平衡式真空微电子加速度传感器的机电耦合特性

力平衡式真空微电子加速度传感器的惯性敏感元件不仅受弹性力的作用,同时还受静电力的作用,其总刚度为机械刚度和由静电力引入的电学刚度之和。本文利用平行板电容器模型计算发射电极间的静电力,并引入一个修正系数描述发射锥尖阵列的影响,对传感器性能进行了理论分析。分析表明,提高偏置电压可以改善传感器的线性度和灵敏度,通过调节偏置电压来调整系统的刚度和阻尼比可使其具有更好的动态特性。由于静电吸合效应的影响,质量块的位移必须小于偏置电极间初始间距的1/3,系统才能稳定。为了获得较好的动态特性,需要确定一个由偏置电压决定的优化工作点。实验结果表明,当设置发射电压和反馈偏置电压分别为1.953 V和5.478 V时,该真空加速度传感器的灵敏度达到557 mV/g,非线性度为0.95%,传感器系统具有良好的性能。     

Identification of boundary conditions of tapered beam-like structures using static flexibility measurements

The integrity and reliability of the beam-like structures are dependent in part on their boundary conditions, which can vary with time due to damage or aging, thus the identification of boundary conditions might be one of the most significant aspects for damage detection of such structures. This paper investigates a direct method for identifying the boundary conditions of tapered beam-like structures using static flexibility measurements. The beam is modeled by a flexible tapered beam, which is constrained at one end by translational and rotational springs. The translational and rotational springs are utilized to simulate the boundary conditions of the tapered beam, and the purpose of this paper is to identify the stiffnesses of the translational and rotational springs, i.e. translational root stiffness and rotational root stiffness. It is theoretical proved that the static flexibility measured on the beam can be expressed as a function of the flexural rigidity of the beam at its constrained end, translational root stiffness and rotational root stiffness. Then, a set of linear equations for identifying the translational and rotational root stiffnesses are formed by three or more different static flexibility measurements. Finally, the proposed method is validated using both simulative and experimental examples.     

基于MEMS技术梁膜结合压阻式加速度计的设计

提出了一种压阻式加速度计的新结构模型,采用梁膜结合结构方式,提高了低量程微硅压阻式加速度计的固有频率,减小了挠度对加速度计输出线性度的影响.通过有限元ANSYS仿真软件对结构模型进行静态和模态分析,发现在相同的负载条件下,新结构与传统结构相比,其固有频率平均提高了39%,挠度平均下降了39%,并对影响灵敏度、固有频率等主要指标的因素讨论分析,确定传感器的电阻分布和结构参数,对其结构进行优化.最后设计了版图及一套可行的工艺流程,采用各向异性化学腐蚀技术在单晶硅上制作压阻式加速度计,并与玻璃衬底阳极键合,从而提高加速度计的可靠性.该加速度计具有小尺寸、高频响、高精度的优点.     

一种铰链式高量程加速度传感器及其力学性能分析

提出一种铰链式结构的高量程加速度传感器,该结构可使加速度传感器在保持一定灵敏度的情况下大大提高器件固有频率,从而在更宽的频带内真实地反映冲击过程的加速度信号波形.建立简化模型和改进模型分析该加速度计的力学性能,并用ANSYS模拟验证两种模型的计算结果.其中改进模型考虑了质量块的变形以及梁和铰链的质量影响,提高了器件固有频率的计算精度,计算结果更接近于ANSYS分析结果.最后由模拟分析数据得出该加速度计结构参数的优化.     

汽车仪表板横梁系统固有振动特性研究

测量了横梁系统在车身安装状态下的固有振动特性,并通过有限元计算得出横梁系统的模态参数,结果确定了横梁系统刚度较差的原因与横梁骨架和车身前围板刚度不足有关;然后基于有限元模型分析了横梁系统主要零件的板厚对固有频率、质量的灵敏度,发现不同零件对横梁系统的固有频率和质量影响程度存在差异;最后在OptiStruct中建立数学模型并优化零件板厚,使横梁系统总质量、固有频率和刚度之间得到了较好的平衡,改善了横梁系统的固有振动特性。     

钳夹车双层并联过约束机构力学解算与均载性分析

为研究钳夹车双层并联过约束起升机构力传递与均载特性,基于Timoshenko梁理论建立了起升机构钳形梁刚度模型,通过联立该双层并联过约束机构弹性变形协调方程与静力平衡方程,对起升机构进行了力学解算,得到了机构分支承载力与机构刚度的映射关系。在此基础上,定义了不均衡载荷系数,分析得到了机构刚度变化及其载运偏载量对起升机构均载性能的影响规律。基于动力学仿真软件RecurDyn建立了双层并联过约束起升机构的刚柔耦合仿真模型,仿真分析结果验证了理论建模分析的正确性。     

基于梁模型的波箔动压轴承箔片结构建模方法

波箔动压轴承的箔片刚度特性是评估轴承性能的重要指标。为了合理、全面考虑摩擦力对波箔刚度的影响,建立了波纹箔片的欧拉梁模型,提出了判定波纹箔片摩擦状态的算法,针对静摩擦状态约束条件以及动摩擦力-位移关系合理调整约束方程。经过计算发现摩擦力的存在使箔片刚度增大,且未滑移的波纹刚度比产生滑移的波纹刚度大。探究了单元数量对计算结果的影响,发现其对结果影响不大。将梁模型计算值与文献中的线弹簧模型及实验值进行对比,结果显示梁模型计算值更接近实验值,验证了梁模型的准确性。