体声波力传感器灵敏度的微分-综合分析法

为了分析基于应力/应变效应的体声波(BAW)力传感器的敏感机理、准确计算其灵敏度,提出了一种用于BAW力传感器灵敏度分析的微分-综合分析法。该方法借鉴了微积分的原理,在Mason等效电路模型中将一个完整的BAW谐振器替换为多个谐振器微元的并联,从而将谐振器有源区面积A上应力/应变场的有限元计算结果与压电薄膜材料的力学特性、谐振器微元的电声学特性关联起来;最后,在射频电路仿真软件中进行等效电路的综合,得到整个BAW谐振器在应力/应变场作用下的阻抗特性曲线及其串/并联谐振频率。当BAW谐振器微元的划分足够细密时,获得的灵敏度分析结果将足够精确。为了论证该方法的原理,给出了一个直观的校核案例。以一个嵌入式FBAR结构的四梁BAW加速度计表头为例,介绍了该方法用于BAW力传感器灵敏度分析的详细过程。虽然案例中只讨论了一种应力/应变型BAW力传感器的单一力敏机理,但该方法具有普适性。并且,当谐振器微元小到接近其压电材料晶格的尺度时,就能与压电薄膜的力-声-电特性的第一性原理计算结果关联起来,实现从微观材料特性到介观器件物理的多尺度计算。     

叶片径向变形的动态概率分析方法

为了有效地进行高压涡轮叶片设计和优化,提高叶尖径向运行间隙设计和控制的合理性,本文考虑了材料属性和边界条件的非线性、载荷的动态性、变量的随机性,在确定性分析的基础上对叶片径向变形进行了动态概率分析.首先,介绍了高效率动态概率分析的极值响应面法(Extremum Response Surface Method,ERSM)及其数学模型;其次,将该方法应用到叶片径向变形的动态概率分析中,得出了各输入输出随机变量的分布特征及影响叶片径向动态变形的主要因素,即燃气温度和转子转速;最后,通过对三种方法进行比较.结果表明:ERSM的计算精度与Monte Carlo法基本保持一致,比传统响应面法稍高;其计算时间为Monte Carlo法的1/66、为传统响应面法的1/3.以此验证了该方法在叶片径向变形动态概率分析方面的可行性和有效性,为叶片径向变形的优化设计和叶尖径向运行间隙设计提供了参考.     

膜片上薄膜体声波谐振器型微加速度计

针对"FBAR(薄膜体声波谐振器)-梁"结构悬臂梁厚度不足、"嵌入式FBAR"结构微加工工艺复杂的缺点,提出了新型"膜片上FBAR(FBAR-on-diaphragm)"结构的微加速度计。其弹性膜片由氧化硅/氮化硅复合薄膜构成,既便于实现与硅微检测质量和FBAR的IC兼容集成加工,也利于改善微加速度计的灵敏度和温度稳定性。对由氧化硅/氮化硅双层复合膜片-硅检测质量惯性力敏结构和氮化铝FBAR检测元件集成的膜片上FBAR型微加速度计进行了初步的性能分析,验证了该结构的可行性。通过有限元模态分析和静力学仿真得出惯性加速度作用下膜片上FBAR结构的固有频率和弹性膜片上的应力分布;选取计算所得的最大应力作为FBAR中压电薄膜的应力载荷,结合依据第一性原理计算得到的纤锌矿氮化铝的弹性系数-应力关系,粗略估计了惯性加速度作用下氮化铝薄膜弹性系数的最大变化量;采用射频仿真软件,通过改变惯性加速度作用下弹性常数所对应的纵波声速,对比空载和不同惯性加速度作用下加速度计的谐振频率,得到加速度计的频率偏移特性和灵敏度。进一步分析仿真结果还发现:氧化硅/氮化硅膜片的一阶固有频率与高阶频率相隔较远,交叉耦合小;惯性加速度作用下,谐振频率向高频偏移,灵敏度约为数k Hz/g,其加速度-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性。     

计算重根特征向量导数的消元法

本文提出了重根特征向量导数计算的消无法，它分为若干直接算法和一种迭代算法。这种方法概念简单、实施容易、精度良好。该方法可经简单移值用于非重根情况。     

任意非亏损矩阵特征灵敏度分析的模态展开法

把特征向量的各阶导数表示成所有模态的线性组合，并利用左模态与右模态间的双正交性，首先导出了任意非亏损矩阵的重特征值的一阶导数所满足的特征值问题，然后根据此特征值问题无、看重根的情况，再导出了异导重特征值和等导重特征值对应的可微特征向量、特征值和特征向量各阶导数的一般计算公式。算例显示了方法的正确性。     

结构局部非线性修改灵敏度分析及其应用

以线性系统的非线性修改方法为基础，导出了局部非线性振动的灵敏度分析方法；提出了灵敏度为指导的优化设计思想，并将其应用于大型结构上的局部非线性因素的优化设计。文中介绍一些典型非线性特征的数学描述。最后，本文以火炮结构中的炮口振动为例，提出在炮口处增设炮口减振器的设计思想，并用本文方法对炮口减振器的参数进行优化设计，得到满意的结果。     

集成光学陀螺的最佳腔长

作为谐振式光学陀螺的核心敏感器件,无源环形谐振腔(PRR)结构参数的选择,对陀螺灵敏度具有决定性作用.腔长正是这重要结构参数之一.基于多光束干涉理论的理论分析表明,谐振腔长的增加,一方面通过决定腔内干涉光程,优化PRR谐振特性,另一方面,又通过对腔光传输损耗的影响,决定着谐振条件的耦合比要求,从而成为腔内光传输总损耗重要决定因素,导致谐振特性劣化.根据谐振式光学陀螺的调频光谱测量原理,在陀螺灵敏度决定过程中,腔长的上述两方面影响所起的截然相反作用,从而决定了以陀螺最佳灵敏度为判据存在最佳腔长.仿真与实验结果与理论分析良好一致性,不仅证明了理论分析的正确性.也显示了其在集成光学陀螺结构设计与性能优化中的应用价值.     

弹塑性摩擦接触问题形状设计灵敏度分析

提出了一种计算二维有限变形弹塑性摩擦接触问题形状设计灵敏度的算法. 采用主动集策略和mortar方法处理接触边线上的约束条件. 在mortar接触边线的切线和法线方向上采用相同的名义罚函数,提出基于名义罚函数的移动摩擦锥算法来正则化接触约束条件,发展了一种新的二维多体有限变形摩擦接触算法. 在此基础上, 通过将离散形式的摩擦接触问题控制方程对形状设计变量微分,得到了该路径相关问题的直接微分法解析设计灵敏度计算格式, 其节点位移灵敏度方程在每个增量步不用迭代、直接求解. 与国际上现有的二维多体有限变形摩擦接触问题的解析设计灵敏度算法相比,本算法不需分解为法向和切向推导,表达式较简洁,便于编程实现. 数值算例验证了算法的精度和有效性.      

结构形状优化设计数值方法的研究和应用

本文论述了连续体结构形状优化设计数值方法的研究和应用进展,讨论了结构模型化、灵敏度分析、优化方法改进、优化实用软件开发以及同CAD技术相结合等问题,介绍了在结构优化设计软件MCADS中采用的方法,并通过工程实例说明了结构形状优化设计的应用及其价值。     

特征向量导数计算的Lanczos方法

本文对特征向量导数计算的Ｌａｎｃｚｏｓ法进行了改进，指出Ｌａｎｃｚｏｓ法对方程的缩阶效率取决于初始向量的选择，介绍了Ｌａｎｃｚｏｓ方法的发展，提出采用频率移位法选择初始Ｌａｎｃｚｏｓ向量。通过理论分析及计算机仿真说明移位Ｌａｎｃｚｏｓ方法可以将较大的方程组缩为一阶方程，在计算精度与效率上大大优于任选向量Ｌａｎｃｚｏｓ法和迭代Ｌａｎｃ－ｚｏｓ法