具有菱形截面的微梁谐振器件的热弹性阻尼机理与模型

发布时间：2017-03-20 04:03

  本文关键词：具有菱形截面的微梁谐振器件的热弹性阻尼机理与模型，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微机械谐振器件是近年来出现的新型谐振器件。品质因数是这类器件的核心参数。品质因数的物理意义是振动器件的总能量除以一个周期内器件耗散的能量。高品质因数代表低能量损失、高灵敏度和可靠性。通常将微机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,简称MEMS)中阻尼划分成两类：外部阻尼和内部阻尼。外部阻尼如空气阻尼、支撑阻尼和表面损失等,可以通过合理的设计和改善工作条件来消除。内部阻尼,如热弹性阻尼是系统内部固有阻尼,不能像外部阻尼那样轻易消除。作为微结构材料的固有能耗,热弹性阻尼不仅制约着品质因数的上限,而且还对谐振器的精确度、灵敏度和噪声特性等产生重要的影响。因此,振动结构中热弹性阻尼为当前理论研究的热点。对于近年来越来越复杂的微谐振器结构,研究出更为针对性、具体性的热弹性阻尼模型是非常有实用价值的。目前对于矩形截面和圆形截面微梁谐振器的热弹性阻尼的研究已经成熟,然而对于具有菱形截面微梁的谐振器件的热弹性阻尼的研究还没有出现。本文将在前人研究的基础上,率先对菱形截面微梁的热弹性阻尼机理与模型进行分析并给出相关详细的公式。在文章的后半部分,对绝热边界条件下的菱形截面微梁的热弹性阻尼理论模型进行总结分析,利用MATLAB软件将模型转化成曲线的表达形式,使理论模型更加直观。最后建立了菱形截面微梁的有限元模型,利用有限元软件求出其热弹性阻尼值,从而可以比较理论模型与有限元模型的差异。我们得出了在绝热边界条件下,菱形截面微梁谐振器工作于高频状态(109rad·s-1)时能有效提高品质因数,并且验证了本文所推导出的理论计算模型在满足一定条件下的正确性与可行性,从而为快速而准确地估算菱形截面微梁谐振器的热弹性阻尼、提高其品质因数提供了一个行之有效的理论依据。
【关键词】：微机械谐振器 品质因数 菱形截面微梁 热弹性阻尼 热传导理论
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN629.1
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 概述9-10
• 1.2 微机电系统的发展历史与现状10-12
• 1.2.1 MEMS的发展历史10-11
• 1.2.2 MEMS的发展现状11
• 1.2.3 国内MEMS的发展现状11-12
• 1.3 微机电系统的应用与展望12
• 1.4 MEMS谐振器件12-14
• 1.4.1 MEMS谐振器件的介绍12-13
• 1.4.2 MEMS谐振器件的品质因数13
• 1.4.3 微梁谐振器件的应用13-14
• 1.5 热弹性阻尼及其研究现状14-16
• 1.5.1 热弹性阻尼的概念及其产生机理14-15
• 1.5.2 经典理论模型15-16
• 1.6 本文的主要研究内容16-17
• 1.7 本章小结17-18
• 第二章 现有的微梁谐振器件的热弹性阻尼机理与模型18-40
• 2.1 微梁的一维热传导方程18-20
• 2.2 Zener的TED理论模型20-28
• 2.2.1 矩形截面梁热传导方程的求解20-23
• 2.2.2 矩形截面梁的经典TED模型23-25
• 2.2.3 圆形截面梁TED的模型25-28
• 2.3 LR的改进TED理论模型28-30
• 2.4 Ru的简化TED理论模型及其应用30-38
• 2.4.1 热传导方程及其求解31-32
• 2.4.2 Ru的热弹性阻尼模型32-33
• 2.4.3 矩形截面梁的TED模型33-35
• 2.4.4 椭圆形截面梁的TED模型35-36
• 2.4.5 等腰三角形截面梁的TED模型36-38
• 2.5 本章小结38-40
• 第三章 具有菱形截面的微梁谐振器件的热弹性阻尼机理与模型40-51
• 3.1 菱形截面微梁的TED模型40-45
• 3.1.1 利用多项式假设模态法近似温度场40-42
• 3.1.2 菱形截面微梁的TED模型42-45
• 3.2 Ru的TED简化模型的改进45-49
• 3.2.1 热传导方程的求解的改进46
• 3.2.2 改进后的TED模型46-47
• 3.2.3 改进后菱形截面微梁的TED模型47-49
• 3.3 本章小结49-51
• 第四章 理论模型与FEM数值结果的比较分析51-65
• 4.1 几何尺寸对TED的影响51-53
• 4.2 正方形截面微梁振动方向对TED的影响53
• 4.3 一阶固有频率下的热弹性阻尼53-54
• 4.4 菱形截面微梁工作时温度场54-55
• 4.5 改进后的理论模型与原理论模型对比55-58
• 4.6 有限元数值模拟及结果对比58-63
• 4.7 结论63-64
• 4.8 本章小结64-65
• 第五章 总结与展望65-67
• 5.1 全文总结65-66
• 5.2 不足和展望66-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-71
• 附录一 求解菱形截面微梁的热弹性阻尼的MATLAB程序71-78
• (一)、绝热边界条件下菱形截面微梁与矩形截面微梁热弹性阻尼值的MATLAB程序71-73
• (二)、工作在一阶固有频率下菱形截面微梁热弹性阻尼值的MATLAB程序73-74
• (三)、菱形截面微梁工作时温度场的MATLAB程序74-75
• (四)、理论模型与有限元模型对比的MATLAB程序75-78
• 附录二 求解菱形截面微梁热弹性阻尼值的ANSYS程序78-79

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本文编号：257094