基于雙穩(wěn)態(tài)特性的加速度開關(guān)研究.pdf

1、加速度開關(guān)作為一種集傳感及執(zhí)行于一體的慣性器件，不僅能夠感知加速度信號，而且受控于加速度閾值來執(zhí)行開關(guān)動作。工程中對其性能提出多種指標要求，如閾值準確、響應(yīng)快、大接觸力、承載電流、閉合持續(xù)時間、抗振動沖擊干擾等使用要求。因而在航空航天、汽車安全、消費電器、醫(yī)療器械及武器系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域具有廣泛的需求和應(yīng)用潛力。但是目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀已經(jīng)反映出，在加速度開關(guān)基礎(chǔ)設(shè)計理論、研究方法及研制水平等方面存在眾多難點及亟待解決的問題。在開關(guān)設(shè)計中仍

2、然以反復(fù)試驗方法(trial and error method)為主，研制成本昂貴，這也是造成目前我國市場上沒有高性能加速度開關(guān)的重要原因之一。 加速度開關(guān)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)涉及接觸理論、氣膜阻尼理論、彈性力學(xué)理論、恒磁場理論、機電動力學(xué)等理論，屬于多物理學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，其中雙穩(wěn)態(tài)力學(xué)閾值特性研究對于實現(xiàn)加速度開關(guān)功能尤為重要。 本文從典型雙穩(wěn)態(tài)力學(xué)特性研究出發(fā)，結(jié)合氣膜阻尼理論和觸點彈性接觸理論研究，以建立基于雙穩(wěn)態(tài)特性

3、的加速度開關(guān)設(shè)計理論體系為目標展開主要研究工作。 首先分析了基于小變形理論求解雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性時所存在的問題和不足，進而基于大撓度理論建立了雙穩(wěn)態(tài)傾斜梁結(jié)構(gòu)的大撓度后屈曲動力學(xué)控制方程，得到了結(jié)構(gòu)在雙穩(wěn)態(tài)跳轉(zhuǎn)過程中的大撓度后屈曲位形和非線性變剛度。根據(jù)加速度開關(guān)的工作特性和原理，給出了基于雙穩(wěn)態(tài)特性的加速度開關(guān)靜態(tài)設(shè)計原則，建立了多力耦合作用下加速度開關(guān)系統(tǒng)動力學(xué)理論設(shè)計模型，分析了多種因素對開關(guān)性能的影響，研制了加速度開關(guān)實

4、驗樣品，數(shù)值仿真與實驗結(jié)果基本一致，驗證了雙穩(wěn)態(tài)加速度開關(guān)設(shè)計理論的正確性，為加速度開關(guān)及相關(guān)雙穩(wěn)態(tài)器件的研制提供了理論依據(jù)。 基于廣義變分原理得到了考慮軸向伸縮影響的兩端固支雙穩(wěn)態(tài)屈曲梁跳轉(zhuǎn)過程中橫向力與位移的解析解，分析了雙穩(wěn)態(tài)梁在二次分叉屈曲跳轉(zhuǎn)過程中預(yù)壓力、拱高、屈曲模態(tài)及跳轉(zhuǎn)臨界力之間的關(guān)系，仿真計算與實驗結(jié)果一致，為預(yù)壓屈曲形式的雙穩(wěn)態(tài)器件的研制提供了依據(jù)。 分析了余弦弧形梁和撓性結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對雙穩(wěn)態(tài)跳轉(zhuǎn)特

5、性的影響；通過大撓度后屈曲理論、小變形理論與實驗結(jié)果的對比，指出了小變形理論在分析雙穩(wěn)態(tài)力學(xué)特性時的適用范圍及所存在的不足。 針對小變形理論在分析MEMS柔性結(jié)構(gòu)大撓度雙穩(wěn)態(tài)跳躍時所存在的不足，基于幾何非線性大撓度理論，建立了兩端固支傾斜梁結(jié)構(gòu)的大撓度后屈曲動力學(xué)控制方程，針對隱式變形協(xié)調(diào)關(guān)系表達的強非線性超靜定邊值問題，提出了一種半解析求解方法，得到了描述大撓度后屈曲所引起的結(jié)構(gòu)雙穩(wěn)態(tài)力學(xué)行為的精確表達式，并利用數(shù)值方法求解了

6、含有橢圓積分的非線性微分方程，給出了不同傾角梁結(jié)構(gòu)從初始屈曲到后屈曲并發(fā)生雙穩(wěn)態(tài)跳轉(zhuǎn)過程中的位形曲線、非線性變剛度及應(yīng)力分布曲線，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對雙穩(wěn)態(tài)特性的影響。根據(jù)傾斜支撐梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，研制了滿足邊界條件的實驗平臺，實驗結(jié)果驗證了大撓度后屈曲理論推導(dǎo)的正確性，為柔性微結(jié)構(gòu)的大撓度后屈曲精確分析提供了理論依據(jù)。 基于磁荷模型分析了永磁力與位移之間非線性關(guān)系，提出了一種具有雙穩(wěn)態(tài)力學(xué)特性的多磁體組合結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，分析了磁體結(jié)

7、構(gòu)參數(shù)對雙穩(wěn)態(tài)跳轉(zhuǎn)特性和穩(wěn)態(tài)保持能力的影響。 基于磁動勢模型和系統(tǒng)發(fā)生吸合的條件，分析了不同類型電磁驅(qū)動微器件由吸合現(xiàn)象而引起的雙穩(wěn)態(tài)特性，以及磁芯磁阻對雙穩(wěn)態(tài)跳轉(zhuǎn)位置的影響，給出了相應(yīng)的控制跳轉(zhuǎn)位置的方法。 根據(jù)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)跳轉(zhuǎn)時的閾值特性及加速度開關(guān)的工作原理，提出了屈曲式雙穩(wěn)態(tài)和永磁致動雙穩(wěn)態(tài)兩種加速度開關(guān)的靜態(tài)設(shè)計原則；綜合考慮開關(guān)工作過程中非線性永磁力、屈曲彈性力、氣膜阻尼力、慣性力和觸點接觸力等對開關(guān)系統(tǒng)性能的

8、影響，建立了加速度開關(guān)在多力耦合作用下的機電動力學(xué)系統(tǒng)設(shè)計模型，數(shù)值仿真分析了開關(guān)系統(tǒng)的動態(tài)特性(響應(yīng)快速性、時間保持性、頻率響應(yīng)、接觸可靠性)與機電參數(shù)的匹配關(guān)系；從靜態(tài)和動態(tài)特性方面對比分析了各種因素對開關(guān)性能的影響。研制了開關(guān)實驗樣品，實驗與仿真結(jié)果吻合較好，驗證了基于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的加速度開關(guān)設(shè)計理論的正確性和可行性，為基于雙穩(wěn)態(tài)特性的微慣性開關(guān)器件工程研制提供了有效的理論參考。 基于加速度開關(guān)的功能定義，結(jié)合開關(guān)的工作原理