当前位置:主页 > 科技论文 > 数学论文 >

压电微悬臂梁智能结构的数学有限元分析

发布时间:2018-03-14 22:11

  本文选题:有限元方法 切入点:模态分析 出处:《西安科技大学》2015年硕士论文 论文类型:学位论文


【摘要】:压电微悬臂梁是一种集体积小、成本低、灵敏度高、结构简单以及易于集成等众多优点于一身的微型器件。目前它广泛应用于化学、生物和环境监测等众多领域。之所以利用微压电悬臂梁的动态模式进行检测,是因为其具有频率变化快,灵敏度高,动态范围宽的优点。利用微压电悬臂梁的动态模式可以对某些气体、液体成分进行分析,这已然成为国内外进行研究的热点。虽然微压电悬臂梁的应用具有广阔的前景,但是关于微悬臂梁各种性能参数对它的灵敏度的影响,尚未进行系统性的分析研究。本文以微压电悬臂梁智能结构的数学有限元分析为研究课题,在综述有限元理论和压电微悬臂梁理论的基础上,通过有限元方法,使用有限元分析软件,对微压电悬臂梁进行模拟仿真,并且对其模态分析结果进行验证。主要研究内容包括:(1)两种方式对压电微悬臂梁进行模态分析,其一,通过数学有限元方法推导,数值计算求得其理论解;其二,通过软件模拟仿真,得到其实验解。取其前十阶模态,观察其阵型,并验证理论解与实验解之间的偏差。(2)结合固体物理学知识及数学有限元方法建立数学分析模型,运用大型有限元分析软件,对微悬臂梁进行模拟仿真。研究讨论各个参数如电极层、压电层、二氧化硅层、基底层材料属性、弹性常数及厚度对压电微悬臂梁谐振频率的影响。(3)结合理论知识力一电藕合问题的数理基础,分析各个参数如电极层材料、压电层材料、基底层材料、与二氧化硅层材料对压电微悬臂梁传感灵敏度的影响。研究表明,材料厚度、材料属性、弹性常数均对压电微悬臂梁谐振频率有明显影响。同时,基底层、压电层、电极层、二氧化硅层的材料选择对微压电悬臂梁的传感灵敏度有重要影响。通过对压电微悬臂梁进行理论研究,数值计算,软件模拟,来选择理想的材料属性,设计合适的外形尺寸,涂镀不同的敏感层以及选择恰当的敏感层厚度,这些都对研究设计高灵敏度的微悬臂梁具有十分重要的学术价值和科学意义。
[Abstract]:Piezoelectric microcantilever beam is a kind of micro device with many advantages such as small size, low cost, high sensitivity, simple structure and easy integration. In many fields, such as biological and environmental monitoring, the dynamic mode of micro-piezoelectric cantilever beam is used to detect it because of its fast frequency change and high sensitivity. The advantages of wide dynamic range. Some gases and liquids can be analyzed by using the dynamic mode of micro piezoelectric cantilever beam, which has become a hot research topic at home and abroad. Although the application of micro piezoelectric cantilever beam has a broad prospect, However, the influence of various performance parameters on the sensitivity of the micro cantilever beam has not been systematically studied. In this paper, the mathematical finite element analysis of the intelligent structure of the micro piezoelectric cantilever beam is taken as the research topic. On the basis of summarizing finite element theory and piezoelectric micro cantilever beam theory, the simulation of micro piezoelectric cantilever beam is carried out by finite element method and finite element analysis software. And the results of modal analysis are verified. The main research contents include: 1) two ways of modal analysis of piezoelectric micro-cantilever beam. Firstly, the theoretical solution is obtained by mathematical finite element method and numerical calculation. Through the software simulation, the experimental solution is obtained. Taking the first ten modes, observing the formation, and verifying the deviation between the theoretical solution and the experimental solution, the mathematical analysis model is established with the knowledge of solid state physics and the mathematical finite element method. The finite element analysis software is used to simulate the micro cantilever beam. The properties of various parameters, such as electrode layer, piezoelectric layer, silica layer, substrate material, are studied and discussed. The influence of elastic constant and thickness on resonant frequency of piezoelectric microcantilever beam. The effect of silicon dioxide layer material on the sensitivity of piezoelectric microcantilever beam is studied. The results show that the thickness of the material, the properties of the material and the elastic constant have significant effects on the resonant frequency of the piezoelectric microcantilever beam. At the same time, the substrate, the piezoelectric layer, the electrode layer, the base layer, the piezoelectric layer, the electrode layer, The material selection of silica layer has an important influence on the sensing sensitivity of the micro piezoelectric cantilever beam. Through the theoretical research, numerical calculation and software simulation of the piezoelectric micro cantilever beam, the ideal material properties are selected and the appropriate shape size is designed. It is of great academic value and scientific significance to study and design micro-cantilever beam with high sensitivity by coating different sensitive layer and choosing appropriate thickness of sensitive layer.
【学位授予单位】:西安科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:O241.82

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 景大雷;王飞;王晓明;赵亮;赵学增;;考虑中性层位置变化的微悬臂梁气体传感器静态模型的分析[J];固体力学学报;2012年03期

2 邵亚琪;郇勇;代玉静;缪泓;张泰华;;基于全场位移测量技术的微悬臂梁面内弯曲性能测试[J];实验力学;2014年04期

3 黄渊;陈雁云;刘红;李凯;张青川;伍小平;;微悬臂梁生化传感系统的性能分析[J];实验力学;2008年04期

4 王锡明;周嘉;黄宜平;;具有激振和测振的新型压电微悬臂梁设计[J];复旦学报(自然科学版);2010年06期

5 白英良;;聚合物微悬臂梁动态工作模式测量及仿真[J];科技致富向导;2014年17期

6 李凯;刘红;张青川;侯毅;张广照;伍小平;;利用微悬臂梁表面应力研究聚N-异丙基丙烯酰胺分子的构象转变[J];物理学报;2006年08期

7 邬林;吴定强;张青川;;基于光学读出的微悬臂梁温度传感器研制[J];实验力学;2012年06期

8 张霞;焦彬彬;陈大鹏;叶甜春;;三层材料微悬臂梁模型及其在红外焦平面像元设计中的应用[J];红外与毫米波学报;2010年04期

9 刘素娟;齐书浩;张文明;;静电驱动裂纹微悬臂梁结构振动特性分析[J];振动与冲击;2013年17期

10 周雄图;张永爱;郭太良;;全SU8微悬臂梁的制备及其弹性系数表征[J];福州大学学报(自然科学版);2014年01期

相关会议论文 前10条

1 段慧玲;;表面吸附及复杂表面微悬臂梁传感器跨尺度力学分析[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

2 熊继军;张文栋;薛晨阳;桑胜波;周兆英;;拉曼光谱应用于硅微悬臂梁的应力特性测试[A];中国微米、纳米技术第七届学术会年会论文集(二)[C];2005年

3 黄渊;谭伟明;薛长国;陈雁云;吴尚犬;张青川;王保民;;微悬臂梁传感研究抗体修饰方法对瘦肉精检测的影响[A];第十二届全国实验力学学术会议论文摘要集[C];2009年

4 张岩;申胜平;;微悬臂梁传感器的力学机理[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年

5 高会凯;黄健萌;;与基底接触-分离过程中微悬臂梁的动态应力分析[A];第十一届全国摩擦学大会论文集[C];2013年

6 苏波;段国腾;张存林;;基于双材料微悬臂梁阵列的太赫兹波探测系统的研究[A];中国光学学会2011年学术大会摘要集[C];2011年

7 吴尚犬;薛长国;张青川;王宝民;;微梁免疫传感中小分子抗原与抗体结合导致的表面应力机理研究[A];第十三届全国实验力学学术会议论文摘要集[C];2012年

8 孟玮烈;陈建中;陈皓;张能辉;;重力对DNA-微悬臂梁纳米挠度响应的影响[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

9 李晶晶;谭邹卿;张能辉;;DNA-微悬臂梁的纳米力学分析[A];现代数学和力学(MMM-XI):第十一届全国现代数学和力学学术会议论文集[C];2009年

10 郇勇;张泰华;杨业敏;;MEMS微悬臂梁键合强度的测试技术[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(上)[C];2007年

相关博士学位论文 前10条

1 刘勇;高灵敏微悬臂梁探针设计制作及特性研究[D];中国科学技术大学;2011年

2 李凯;基于微悬臂梁的生化传感技术研究[D];中国科学技术大学;2006年

3 王晓明;薄板型微悬臂梁流固耦合特性及其尺度效应研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

4 冯兆斌;微悬臂梁力学传感器的振动激发研究及在材料学中的应用探索[D];山东大学;2013年

5 黄渊;基于光学读出的微悬臂梁生化传感技术研究[D];中国科学技术大学;2009年

6 王飞;原子力显微镜微悬臂梁刚度测量研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

7 吴尚犬;基于表面应力效应的微悬臂梁免疫传感技术研究[D];中国科学技术大学;2013年

8 文丰;微悬臂梁生化传感器读出技术研究[D];北京理工大学;2014年

9 韩乐;用于食品中李斯特细菌检测的纳米微悬臂梁传感器技术的研究[D];中国人民解放军军事医学科学院;2012年

10 李冰;双材料微悬臂梁阵列激光告警技术研究[D];北京理工大学;2014年

相关硕士学位论文 前10条

1 倪庆旭;多层微悬臂梁弹性常数的计算方法的研究[D];天津大学;2009年

2 梁利娜;原子力显微镜微悬臂梁的振动分析[D];北京交通大学;2016年

3 程韦;微悬臂梁阵列传感技术系统设计[D];安徽理工大学;2016年

4 何培文;基于微悬臂梁传感技术的液滴蒸发过程研究[D];安徽理工大学;2016年

5 高会凯;重复加卸载下微悬臂梁与基底粗糙面间的接触分析[D];福州大学;2014年

6 周胜男;压电微悬臂梁智能结构的数学有限元分析[D];西安科技大学;2015年

7 唐洁;压电微悬臂梁传感技术的研究[D];天津大学;2005年

8 景大雷;用于气体测量的压电微悬臂梁力学建模与实验研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

9 许锐彬;基于有限元的多层微悬臂梁弹性性能、尺度效应和动态响应的研究[D];福建农林大学;2013年

10 周韬;微悬臂梁质量传感器测量原理的有限元分析[D];华中科技大学;2014年



本文编号:1613143

资料下载
论文发表

本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/yysx/1613143.html


Copyright(c)文论论文网All Rights Reserved | 网站地图 |

版权申明:资料由用户e3417***提供,本站仅收录摘要或目录,作者需要删除请E-mail邮箱bigeng88@qq.com