悬臂梁式微加速度计的动力学分析

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微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)是一个新兴的多交叉领域学科,具有十分广阔的应用前景,已经成为国际研发项目的热点。近十几年,微机电系统的快速发展,微加速度计作为最关键的部分之一,为保证微加速度计工作时的精确和稳定,对微加速度计的动力学特性分析研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本论文针对一种典型MEMS器件(悬臂梁式微加速度计)建立其系统等效模型,主要从悬臂梁的振动特性和气动性能两部分来进行研究。对于微悬臂梁的振动特性,运用有限元分析软件ANSYS Workbench建立了微悬臂梁的有限元模型,进行了模态和谐响应仿真分析,得到了悬臂梁前六阶振动频率和振型,以及悬臂梁的频率随尺寸的减小而增大,为悬臂梁的尺寸设计及其频率变化提供理论依据;在谐响应分析下,得到了悬臂梁不同频率的应力频率响应和位移频率响应曲线,得出了得出悬臂梁在一阶频率附近发生共振,避开共振频率,悬臂梁频率响应的应力最大值7.67MPa满足结构的许用疲劳极限强度,悬臂梁为安全,从而确定了此悬臂梁式微加速度计的频响范围。对于悬臂梁的气动性能,主要是以悬臂梁与容器壁面在1~9来研究悬臂梁,利用流体计算软件FLUENT研究了悬臂梁周围截面流场及其悬臂梁流场的变化,得到了悬臂梁周围截面流场的压力分布和流速分布图,以及在间隙不同情况下悬臂梁表面的压强分布和流速分布图,得出了在间隙3时绕悬臂梁的气流压力差最大,对悬臂梁的阻尼作用最大,在设计尺寸时3间隙应尽量避免;间隙的变大,涡流的区域增大,导致悬臂梁的振动幅度阻尼作用逐渐减弱,所以得出间隙为5时,气体对悬臂梁的阻尼影响最小,微加速度计的量程最大,从而也得出了这种悬臂梁式微加速度计的量程。
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