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平行梁结构电热微夹持器研究

作　者: 阴学朴
导　师: 李宇鹏
学　校: 燕山大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: MEMS 电热驱动微夹持器有限元法动态分析
分类号: TH703
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

微夹持器是微装配与微操作中的执行部件,广泛应用于细胞操作、微镜头装配等场合,其性能的优劣直接影响到夹持动作的成败。论文综述了几种典型微夹持器的工作原理,并比较了各自特点。选择具有结构简单、夹持力大等优点的电热驱动微夹持器为研究对象。(1)微夹持器的电热驱动部分采用可以实现通电张开-通电闭合双向运动的平行梁结构。在考虑微加工工艺能力的基础上,设计了微夹持器的结构尺寸。对其进行了理论分析,建立了电-热-机械多能量域的数学分析模型,用解析方法分析其温度分布和位移特性。(2)利用ANSYS建立了电热微夹持器的有限元模型,对其进行了仿真分析,得到了微夹持器的输出位移及夹持力随输入电压不同而变化的情况。重点分析了包括悬臂长度、深宽比等在内的结构尺寸变化对输出位移与夹持力的影响。通过一系列的假设,建立了微夹持负载时的有限元模型,分析了驱动臂的变形与应力分布情况。(3)对微夹持器进行了模态分析,提取前两阶固有频率,讨论了结构尺寸变化对频率与振型的影响。通过瞬态分析得到了微夹持器的响应时间与恢复时间。分析了结构对垂直于基底方向的冲击载荷的响应情况,得到了微夹持器冲击载荷下的应力分布与位移,并分析了结构尺寸改变对位移与应力分布的影响。本文的理论研究与仿真结果可指导平行梁结构微夹持器的结构设计,从而节约设计成本、缩短设计周期。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-23
  1.1 微机电系统简介  10-13
    1.1.1 微机电系统发展概况  10-13
    1.1.2 微机电系统主要应用前景  13
  1.2 典型微夹持器的发展现状  13-21
    1.2.1 静电驱动微夹持器  13-14
    1.2.2 压电驱动微夹持器  14-16
    1.2.3 电磁驱动微夹持器  16-17
    1.2.4 形状记忆合金微夹持器  17-19
    1.2.5 热驱动微夹持器  19-20
    1.2.6 微夹持器综合比较  20-21
  1.3 选题的意义和主要研究内容  21-23
    1.3.1 选题的意义  21
    1.3.2 本文主要研究内容  21-23
第2章微夹持操作力学基础  23-34
  2.1 微装配与微操作的特点  23
  2.2 表面粘附力  23-27
    2.2.1 静电力  24-25
    2.2.2 范德华力  25-26
    2.2.3 表面张力  26-27
  2.3 不同拾取方式下的力学特性  27-32
    2.3.1 静摩擦力  28
    2.3.2 拉伸断裂拾取方式  28-29
    2.3.3 弯曲断裂拾取方式  29-30
    2.3.4 从中间拾取自由平放微梁  30-31
    2.3.5 从一端拾取自由平放微梁  31-32
  2.4 释放操作  32-33
    2.4.1 移动  32
    2.4.2 释放  32-33
  2.5 本章小结  33-34
第3章微夹持器设计与输出位移分析  34-52
  3.1 微夹持的结构设计  34-38
    3.1.1 驱动方式  34-35
    3.1.2 驱动结构  35-36
    3.1.3 布局形式  36-37
    3.1.4 材料及加工方法  37-38
    3.1.5 结构尺寸  38
  3.2 微夹持的传热分析  38-43
    3.2.1 传热理论分析  38-41
    3.2.2 传热有限元分析  41-43
  3.3 输出位移分析  43-51
    3.3.1 位移理论分析  43-45
    3.3.2 位移有限元分析  45
    3.3.3 输出位移与应力随电压的变化  45-48
    3.3.4 结构尺寸变化对输出位移的影响  48-51
  3.4 本章小结  51-52
第4章微夹持器的夹持力与负载后变形分析  52-70
  4.1 夹持力与夹持臂刚度分析  52-58
    4.1.1 夹持力分析  52
    4.1.2 夹持臂刚度分析  52-53
    4.1.3 有限元分析方法  53
    4.1.4 夹持力随空行程的变化  53-54
    4.1.5 夹持力随电压的变化  54-55
    4.1.6 结构尺寸变化对夹持力与刚度的影响  55-58
  4.2 夹持臂负载时驱动臂的变形与应力分析  58-69
    4.2.1 有限元模型与分析方法  58-59
    4.2.2 驱动臂变形分析  59-64
    4.2.3 应力分析  64-69
  4.3 本章小结  69-70
第5章微夹持器的动态特性分析  70-85
  5.1 电热微夹持器的模态分析  70-73
    5.1.1 夹持器的频率与振型  70-71
    5.1.2 结构尺寸变化对频率与振型的影响  71-73
  5.2 微夹持器的瞬态动力学分析  73-78
    5.2.1 瞬态传热方程  73-75
    5.2.2 ANSYS 瞬态动力学的求解方法  75-76
    5.2.3 夹持器的瞬态响应分析  76-78
  5.3 微夹持器的冲击响应分析  78-84
    5.3.1 冲击载荷的理论模型  78-79
    5.3.2 微夹持器冲击响应的ANSYS 仿真分析  79-81
    5.3.3 不同冲击载荷下夹持器响应的分析  81-83
    5.3.4 不同结构尺寸夹持器的响应分析  83-84
  5.4 本章小结  84-85
结论  85-86
参考文献  86-91
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  91-92
致谢  92-93
作者简介  93

平行梁结构电热微夹持器研究

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