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双联腔三振子无阀压电微泵的研究与设计

作　者: 田伟强
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: 双联腔三振子无阀泵 复合压电振子 连体腔 扩张/收缩管 微流体流动 结构优化
分类号: TH323
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


微流体系统是指在微观尺寸控制、操作和检测复杂流体的技术,微泵是微流体系统的主要驱动器件之一,是微流体系统发展水平的重要标志。目前己研制出多种类型的微型泵,而其中无阀微泵因其结构简单等优点成为近年来的研究热点。本论文提出了一种新型无阀微泵——双联腔三振子无阀压电微泵。它的主要组成部分包括两个连体腔、腔体两侧的扩张/收缩口以及三个膜(中间膜是共用膜)及膜上的压电振子。本新型微泵结构简单、紧凑、易控制、可靠性和使用寿命显著提高,可以能实现精细、小脉动、大流量、高效率地传输流体。课题主要研究内容:(1)提出一种新型无阀微泵,阐述了其工作原理,对它的致动方式、驱动方案、复合压电振子的结构、扩张/收缩管的形状和尺寸、泵腔及缓冲腔的形状和几何参数进行了研究和设计。(2)建立了新型微泵工作的关键部件——复合压电振子的力学模型,推导了复合压电振子的弹性曲面微分方程和振动方程。利用ANSYS软件对振子进行了静力学分析和动力学分析,对振子进行了结构优化。(3)研究了微尺度下流体流动的特性,分析了扩张/收缩管的压力损失系数和能量损失,推导了扩张/收缩管的流量和效率。利用FLUENT软件对扩张/收缩管、泵腔以及缓冲腔进行了深入分析,对它们的结构参数进行了优化。研究结果为压电驱动无阀微泵的研究和设计提供了参考数据,对于微泵系统的研究和应用具有一定的理论价值。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章 绪论  13-25
  1.1 课题的研究背景  13-14
    1.1.1 微机电系统概述  13
    1.1.2 微流体系统和微泵技术概述  13-14
  1.2 微泵技术的研究现状  14-20
    1.2.1 微泵的分类  14-15
    1.2.2 往复薄膜式微泵的基本模型  15
    1.2.3 有阀型微泵  15-18
    1.2.4 无阀型微泵  18-20
  1.3 微泵技术的应用及发展前景  20-23
    1.3.1 微泵的应用  20-21
    1.3.2 存在的一些问题及技术展望  21-23
  1.4 本课题的选题意义和研究内容  23-25
    1.4.1 选题意义  23
    1.4.2 课题的研究内容  23-25
第2章 双联腔三振子无阀压电微泵的总体设计  25-43
  2.1 微结构设计基础理论  25-26
  2.2 双联腔三振子无阀压电微泵结构的提出  26-31
    2.2.1 现有无阀微泵的典型结构及特点  26-29
    2.2.2 双联腔三振子无阀压电微泵的基本结构及特点  29-31
  2.3 双联腔三振子无阀压电微泵驱动方案设计  31-32
  2.4 双联腔三振子无阀压电微泵泵体部分的设计  32-39
    2.4.1 双联腔三振子无阀压电微泵致动方式的选择  33-37
    2.4.2 双联腔三振子无阀压电微泵复合压电振子的选择  37-39
  2.5 双联腔三振子无阀压电微泵与流体接触腔部分的设计  39-42
    2.5.1 双联腔三振子无阀压电微泵扩张/收缩管的选择  39-41
    2.5.2 双联腔三振子无阀压电微泵泵腔形状的选择  41-42
    2.5.3 双联腔三振子无阀压电微泵缓冲腔形状的选择  42
  2.6 本章小结  42-43
第3章 基于ANSYS 的复合压电振子的设计分析  43-67
  3.1 复合压电振子振动的理论分析  43-54
    3.1.1 压电效应和压电方程  43-46
    3.1.2 薄板弯曲振动的理论分析  46-50
    3.1.3 复合压电振子振动的理论分析  50-54
  3.2 圆形复合压电振子振动的有限元分析  54-60
    3.2.1 圆形复合压电振子的静态分析  55-56
    3.2.2 圆形复合压电振子的动力学分析  56-60
  3.3 复合压电振子的结构优化  60-66
  3.4 本章小结  66-67
第4章 基于FLUENT 的微流体研究与泵腔部分设计  67-88
  4.1 无阀微泵内部流体的流动分析  67-73
    4.1.1 微尺度下流体特性  67-68
    4.1.2 微泵中流体工质的特性  68-69
    4.1.3 微泵中流体的基本控制方程  69-70
    4.1.4 微泵中流体的流动形式  70-72
    4.1.5 微泵中流体流动时受到的阻力与能量损失  72-73
  4.2 无阀微泵扩张/收缩管的吸入和流出过程分析  73-77
    4.2.1 无阀微泵扩张/收缩管的模型和工作原理  73-74
    4.2.2 无阀微泵扩张  74-75
    4.2.3 无阀微泵扩张/收缩管的流量和效率  75-77
  4.3 无阀微泵扩张/收缩管的有限元仿真与数值计算  77-85
    4.3.1 无阀微泵扩张/收缩管的有限元仿真  77-79
    4.3.2 无阀微泵扩张/收缩管结构参数的优化设计  79-85
  4.4 无阀微泵泵腔和缓冲腔的结构参数设计  85-86
  4.5 本章小结  86-88
结论  88-89
参考文献  89-96
致谢  96-97
作者简介  97

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 泵 > 容积泵 > 隔膜泵
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