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基于分形粗糙表面的MEMS摩擦学研究

作 者: 何宇航
导 师: 张文明
学 校: 上海交通大学
专 业: 机械设计及理论
关键词: 微机电系统 分形 粗糙表面 接触 微气体轴承
分类号: O313.5
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要


当前微机电系统(MEMS)是微纳科学技术中的研究热点。由于尺度效应,接触、粘合、磨损及润滑等成为研究MEMS的重要内容。本文基于分形粗糙表面,分别对MEMS中的接触、粘附、磨损和润滑等摩擦学特性进行了研究,其中对接触和粘附特性的研究以有限单元法为主,对磨损特性的研究以数值方法为主,对润滑特性的研究以有限体积法为主。本文的主要研究内容和结果如下:1.引入了分形几何理论表征粗糙表面,并通过实验测量了表面形貌及其分形维数,最后对实际表面进行了仿真和对比。结果表明,分形维数是表征粗糙表面的固有参数;多晶硅粗糙表面具有分形特征。2.基于分形粗糙表面研究了MEMS接触、粘附及磨损特性。结果表明,降低表面分形维数可以减小接触面积,同时减小表面粘附力;当分形维数介于1.45和1.55之间时,磨损率最小。3.基于分形粗糙表面修正了气体轴承中气流的雷诺方程,进而研究了粗糙表面对微气体轴承性能的影响。结果表明,表面粗糙度降低了气体轴承内气流压强,同时提高了壁面对气流的剪切力;此外,粗糙度还会对轴承承载能力、气流滑移速度及雷诺数分布造成一定的影响。总之,本文的研究方法和结论无论从理论探索还是实际应用的角度都具有重要的意义,它为MEMS摩擦学研究贡献了一定的参考价值。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-20
  1.1 课题研究的意义  10-12
  1.2 研究现状  12-18
    1.2.1 分形学研究现状  12-14
    1.2.2 MEMS 接触、粘附与磨损特性研究现状  14-16
    1.2.3 微型气体轴承薄膜润滑研究现状  16-18
  1.3 本文工作及框架  18-20
第二章 分形几何及粗糙表面的表征  20-38
  2.1 引言  20-21
  2.2 分形几何的数学表述  21-24
    2.2.1 Hausdorff 维数  21-22
    2.2.2 自相似性  22-23
    2.2.3 自仿射性  23-24
  2.3 分形几何表征粗糙表面  24-28
  2.4 分形表面的实验测量及模拟仿真  28-37
    2.4.1 分形维数的测量  28-29
    2.4.2 实验结果分析  29-32
    2.4.3 分形表面的模拟仿真  32-37
  2.5 本章小结  37-38
第三章 基于分形表面的接触、粘附与磨损研究  38-60
  3.1 引言  38
  3.2 基于分形表面的接触分析  38-49
    3.2.1 建模及边界条件设置  38-40
    3.2.2 计算结果分析  40-48
    3.2.3 本节结论  48-49
  3.3 基于分形表面的粘附分析  49-53
    3.3.1 建模及边界条件设置  49-50
    3.3.2 计算结果分析  50-53
    3.3.3 本节结论  53
  3.4 基于分形表面的磨损研究  53-59
    3.4.1 基于M-B 模型的磨损分形分析  53-55
    3.4.2 数值仿真与结果分析  55-59
    3.4.3 本节结论  59
  3.5 本章小结  59-60
第四章 粗糙表面对微气体轴承性能的影响  60-74
  4.1 引言  60
  4.2 滑块气体轴承的数学模型  60-63
  4.3 基于FLUENT 的气体轴承特性研究  63-73
    4.3.1 建模及边界条件设置  63-65
    4.3.2 计算结果分析  65-73
  4.4 本章小结  73-74
第五章 总结与展望  74-76
  5.1 全文工作总结  74
  5.2 本文创新点  74-75
  5.3 研究展望  75-76
参考文献  76-82
致谢  82-83
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  83

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中图分类: > 数理科学和化学 > 力学 > 理论力学(一般力学) > 动力学 > 摩擦理论
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