基于雙穩(wěn)態(tài)特性的加速度開關研究.pdf

1、加速度開關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)行開關動作。工程中對其性能提出多種指標要求，如閾值準確、響應快、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)等眾多領域具有廣泛的需求和應用潛力。但是目前國內外的研究現(xiàn)狀已經反映出，在加速度開關基礎設計理論、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。在開關設計中仍

2、然以反復試驗方法(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的重要原因之一。 加速度開關設計關鍵技術涉及接觸理論、氣膜阻尼理論、彈性力學理論、恒磁場理論、機電動力學等理論，屬于多物理學科交叉的研究領域，其中雙穩(wěn)態(tài)力學閾值特性研究對于實現(xiàn)加速度開關功能尤為重要。 本文從典型雙穩(wěn)態(tài)力學特性研究出發(fā)，結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、的加速度開關設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)結構力學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)傾斜梁結構的大撓度后屈曲動力學控制方程，得到了結構在雙穩(wěn)態(tài)跳轉過程中的大撓度后屈曲位形和非線性變剛度。根據加速度開關的工作特性和原理，給出了基于雙穩(wěn)態(tài)特性的加速度開關靜態(tài)設計原則，建立了多力耦合作用下加速度開關系統(tǒng)動力學理論設計模型，分析了多種因素對開關性能的影響，研制了加速度開關實

4、驗樣品，數值仿真與實驗結果基本一致，驗證了雙穩(wěn)態(tài)加速度開關設計理論的正確性，為加速度開關及相關雙穩(wěn)態(tài)器件的研制提供了理論依據。 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過程中預壓力、拱高、屈曲模態(tài)及跳轉臨界力之間的關系，仿真計算與實驗結果一致，為預壓屈曲形式的雙穩(wěn)態(tài)器件的研制提供了依據。 分析了余弦弧形梁和撓性結構的幾何參數對雙穩(wěn)態(tài)跳轉特

5、性的影響；通過大撓度后屈曲理論、小變形理論與實驗結果的對比，指出了小變形理論在分析雙穩(wěn)態(tài)力學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柔性結構大撓度雙穩(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構的大撓度后屈曲動力學控制方程，針對隱式變形協(xié)調關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構雙穩(wěn)態(tài)力學行為的精確表達式，并利用數值方法求解了

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

7、構參數對雙穩(wěn)態(tài)跳轉特性和穩(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)跳轉位置的影響，給出了相應的控制跳轉位置的方法。 根據雙穩(wěn)態(tài)結構跳轉時的閾值特性及加速度開關的工作原理，提出了屈曲式雙穩(wěn)態(tài)和永磁致動雙穩(wěn)態(tài)兩種加速度開關的靜態(tài)設計原則；綜合考慮開關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系統(tǒng)性能的

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