圆盘多环内双梁谐振陀螺的结构设计和制备方法

多环陀螺由于其对称性好、机械性能优异、能耗低、效率高等特点成为MEMS陀螺领域高性能惯性器件的代表.基于MEMS多环陀螺的发展现状,针对现有多环陀螺结构刚度较大、灵敏度较低的现状,提出了一种新型的圆盘多环内双梁孤立圆环谐振陀螺,通过内双梁的柔性降低了结构刚度,提高了谐振器的灵敏度.对多环谐振陀螺的主要结构进行了详细设计,对多环陀螺的振动模态进行了有限元分析.同时,提出了基于绝缘体上硅(Silicon on Insulator,SOI)工艺和基于阳极键合工艺的两种制备工艺,进行了工艺流程的设计.     

基于模态局部化效应的微机械加速度计研究进展

模态局部化效应是安德森局部化在结构动力学中的一种具体表现形式,其利用振动模态的能量局部集中效应实现了灵敏度的大幅度提高。因此,模态局部化效应近年来逐渐被用于研制高精度的谐振式传感器。介绍了模态局部化效应的基本原理及发展历程,及其在各类谐振式传感器中的应用及研究现状,包括质量传感器、电荷传感器、位移传感器以及刚度传感器。最后,着重介绍了模态局部化效应在惯性敏感器件加速度计中的应用及研究现状。     

滑动轴承-转子系统的稳定性研究

根据滑动轴承流固耦合运动的载荷平衡方程,阐明了轴承油膜与转子相互耦合作用的失稳机理,结合轴系涡动耦合频率激振与非线性耦合振动频率之间的耦合特性,提出了一项轴系耦合调频的新技术.通过对轴承油膜涡动、谐振等自激耦合振动现象的实验研究,给出了轴系非线性动力学行为的典型特征与稳定性判别的准则,同时也为实现轴系非线性振动的有效控制提供了相应理论及试验的依据.      

基于静电刚度的微米光栅加速度计灵敏度特性分析

静电驱动是实现微米光栅加速度计小型化和闭环力反馈控制的关键, 其引 入的静电刚度对加速度计灵敏度有着重要影响。对基于静电刚度的微米光栅加速度计灵 敏度特性进行分析。首先, 建立了基于静电刚度的微米光栅加速度计灵敏度模型。其 次,通过MATLBA 仿真,得到静电驱动电压与传感器灵敏度的理论关系。最后,对理论 分析结果进行了实验验证,结果表明静电刚度可以改善系统刚度,静电电压从1.25V 到 2.05V 等间隔变化时, 加速度计的灵敏度由871mV/g 变化为1148mV/g, 分别相对于未加 电时的灵敏度783mV/g 提高了0.46dB 到1.66dB,提高了微米光栅加速度计的灵敏度。本 文研究内容对集成式闭环微米光栅加速度计的研究提供参考。     

电容式微机械陀螺温度特性研究及温度补偿

电容式MEMS角速率传感器零位的全温稳定性是其实用化的最重要的技术指标之一。分析了陀螺工作原理,从传感器敏感表头的空气阻尼、谐振频率等方面分析了机械结构的温度特性,得出了在全温区内驱动力与传感器零位输出的相关性。根据对陀螺表头和接口电路的温度特性分析,设计了恒定跨导高线性度的运算放大器,实现了全温低相位偏移、低幅值偏移的接口ASIC,并在高压N阱COMS工艺下流片。通过驱动力信号对零位进行温度补偿,包含了机械结构刚度和空气热阻尼等因素的影响,理论上比单独的谐振频率补偿更准确,而且驱动力信号可直接由接口电路给出,避免复杂的采样。在-40℃60℃的温度范围内进行零位温度循环测试,驱动力幅值对零位输出进行三阶拟合补偿,补偿后全温零位温度漂移小于26.7(°)/h(1σ)。     

一种谐振式传感器频率特性测试平台

谐振式传感器的谐振频率和Q值可以通过其频率特性计算得到,因此需要有一种通用的测试平台来测量各种不同谐振式传感器的频率特性.本文描述了一种谐振式传感器频率特性测试平台,并提出了一种采用间歇激励方法测试谐振式传感器谐振频率的新方法,采用线性调频信号激励谐振式传感器,传感器自由振动状态下的振动频率即是传感器的谐振频率;测得传感器自由振动状态下的振动频率,即可得到谐振式传感器的谐振频率.     

MEMS惯性测量单元减振系统仿真分析

MEMS惯性测量单元使用MEMS仪表作为角速度和加速度传感器,该传感器对振动和冲击敏感,会引起惯性测量单元的测量误差.MEMS惯性测量单元多用于飞机、炸弹、导弹等振动环境恶劣的地方,因此减振器的设计尤为重要.减振器设计首先要明确惯性测量单元所处的振动环境,其次要明确MEMS惯性测量单元敏感的频点,最后明确惯性测量单元的质量、安装形式.设计了一种用于MEMS惯性测量单元的减振器,减振效率达75％,对振动和冲击均起到衰减的作用,衰减频带展宽,且在峰值的放大倍数低于3.5.     

单圆盘转子非线性振动模型及机理

根据转子非线性振动的力学性质及大变形假设,结合工程实际构建了转子非线性振动具有Duffing方程形式的力学模型,推导了非线性系统的等效频率和频响方程,研究了刚度元件、阻尼元件与非线性元件对系统振动的影响.通过单圆盘转子非线性振动实验,验证了非线性振动模型结构与Duffing方程求解及频响方程的合理性与有效性,揭示了共振、突变、滞后等非线性现象的机理,为转子振动特性分析提供了一种新的研究方法.      

基于遗传算法的弧齿锥齿轮动态特性优化设计

基于集中质量法建立了弧齿锥齿轮八自由度弯-轴-扭三维空间动力学模型,在模型中考虑了啮合刚度的时变性、几何传动误差的非线性、齿面侧隙以及支承刚度的非线性.采用Runge-Kutta法对传动系统动态响应进行求解.在此基础上,以啮合周期内动态特性指标——振动加速度均方根作为优化目标函数,使用遗传算法对局部综合法中的齿面控制参数进行优化.在对设计参数进行优化的同时也获得了齿轮副最优加工参数.最终以齿面修形的方式实现了航空弧齿锥齿轮动态特性优化,减小了齿轮传动系统的振动与噪声.      

两级星型齿轮传动系统非线性动力学研究

建立了两级星型齿轮传动系统的非线性动力学分析模型,模型中考虑了系统的综合啮合误差、时变啮合刚度以及齿侧间隙.采用数值积分方法对多间隙多自由度非线性微分方程组进行了求解.分析了两级星型齿轮传动系统由简谐振动、非谐单周期振动、倍周期振动以及拟周期振动通向混沌的非线性动力学特性.      

大惯量下电动伺服机构非线性特性与控制方法研究

针对高超声速飞行器非线性影响飞行姿态控制问题,分析了电动伺服机构中传动间隙、刚度、摩擦力矩等非线性因素的影响,并讨论了由间隙引起极限环的定义及产生条件。针对传动间隙引起的极限环振荡和较大惯量的翼面加剧振荡问题,建立了系统间隙极限环模型和非线性振动模型,并提出了间隙补偿器设计方法。重点研究了间隙、翼面转动惯量、刚度及干扰力对伺服控制系统的影响规律。通过在内环增加间隙补偿器的基础上,在外环引入速度、加速度负反馈设计方法,解决了大惯量舵面下控制系统抖动问题,仿真和试验结果证明了这一理论是正确的。     

Study on dynamic stiffness of supporting structure and its influence on vibration of rotors

The dynamic response of the rotor depends on not only itself but also the dynamical characteristics of the structures that support it. In this paper, the coupling vibration characteristics of the rotor and supporting structure are studied using one simple rotor-supports model firstly, and then the dynamic stiffness of the typical supporting structure of an aero-engine is investigated in use of both numerical and experimental methods. While, one simulation strategy is developed to include dynamic stiffness of realistic supports in the dynamical analysis of the rotor system. The simulated and tested results show that the dynamic stiffness of the supporting structure not only depends on the structural parameters but also is related to the frequency of the excitation force. The dynamic stiffness is affected by the damping and inertia effect when the excitation frequency is high and closed to the resonance frequency of the support, which may decrease the dynamic stiffness sharply. More resonance frequencies may be induced and the critical speed could be reduced or increased. While higher vibration response peak and overload of the bearing may also be caused by the varied dynamic stiffness, which needs to be avoided in the design of the rotor-supports system.     

基于测试数据的卡箍非线性等效建模方法

为了快速准确地计算卡箍管路系统的振动响应，提出了基于测试数据的卡箍非线性等效建模方法。对卡箍直管系统进行低幅值激励的模态测试，利用试验数据对有限元模型进行修正，识别卡箍线性刚度、线性阻尼参数。对卡箍直管系统开展不同激励水平下的恒力测试，通过样条插值多项式法将恒力频响函数转换为恒位移、恒速度频响函数，并进一步识别卡箍非线性等效刚度、非线性等效阻尼，建立了考虑卡箍非线性的等效动力学模型。研究表明:该卡箍等效动力学模型的预测频响函数与试验频响函数的最大误差仅为-6.9%，可以有效地反映卡箍实际的刚度、阻尼特性，对解决卡箍管路系统的振动响应分析具有重要的指导意义。      

Nonlinear vibration response characteristics of a dual-rotor-bearing system with squeeze film damper

Rolling bearing and Squeeze Film Damper (SFD) are used in rotor support structures, and most researches on the nonlinear rotor-bearing system are focused on the simple rotor-bearing systems. This work emphasizes the comparative analysis of the influence of SFD on the nonlinear dynamic behavior of the dual-rotor system supported by rolling bearings. Firstly, a reduced dynamic model is established by combining the Finite Element (FE) method and the free-interface method of component mode synthesis. The proposed model is verified by comparing the natural characteristics obtained from an FE model with those from the experiment. Then, the steady-state vibration responses of the system with or without SFD are solved by the numerical integration method. The influences of the ball bearing clearance, unbalance, centralizing spring stiffness and oil film clearance of SFD on the nonlinear steady-state vibration responses of the dual-rotor system are analyzed. Results show that SFD can effectively suppress the amplitude jump of the dual rotor system sustaining two rotors unbalance excitations. As the ball bearing clearance or unbalance increases, the amplitude jump phenomenon becomes more obvious, the resonance hysteresis phenomenon strengthens or weakens, the resonant peaks shift to the left or the right, respectively. SFD with unreasonable parameters will aggravate the system vibration, the smaller the oil film clearance, the better the damping performance of the SFD, the larger the centralizing spring stiffness is, the larger resonance amplitudes are.     

基于接触刚度分布特性的叶片振动响应分析

根据接触刚度在锯齿形叶冠结合面上非均匀分布的特性,提出一种基于定义和有限元计算相结合的接触刚度计算方法。在此基础上,将微-宏滑动摩擦模型作为叶冠结合面处的摩擦模型,推导微滑动和宏滑动状态下摩擦力表达式。利用谐波平衡法将非线性摩擦力转化为等效刚度和等效阻尼进行振动特性分析。针对叶冠结合面相对位移幅值动态变化的特点,提出了一种迭代求解的振动响应分析方法。与文献提供的带摩擦阻尼结构悬臂梁振动响应实验数据相比,共振峰附近的振幅误差为1.99 mm,相对误差为3.9%。振幅的最大误差为5.53 mm,出现在远离共振峰的位置,验证了响应分析方法的可行性。将该方法应用于带冠叶片上,结果表明当激振力频率为812.3 Hz时,振幅为0.56 mm。     

考虑支承约束的航空发动机复杂转子振动特性

针对航空发动机转子复杂的结构特征及支承动力学设计问题,基于有限元(FE)、分段线性拟合和自由度(DOF)降维法,采用主子单元对复杂转子进行合理地等效,构建了航空发动机等复杂转子-支承系统的动力学模型,并对模型的有效性进行了试验验证。从转子固有特性、应变能分布、支承传递力和振动响应等方面对支承刚度进行了设计,并开展了弹性支承并联挤压油膜阻尼器(SFD)非线性减振效率分析。结果表明：动力学模型能较好地反映复杂转子的动力学特性,支承刚度合适取值范围为1.5×10⁴～2.8×10⁴ N/mm,弹性支承并联SFD设计减振和降支承力效果显著,满足临界转速设计准则、应变能约束条件和变形要求,该研究为航空发动机支承刚度和SFD并联设计提供了定量的参考依据,具有重要的工程应用价值。     

空气动力对薄膜结构动力特性的影响规律

薄膜结构刚度小、自重轻、自振频率低,对外力作用非常敏感,因此在分析其动力特性时应考虑到空气与结构的耦合作用。本文利用附加空气质量、辐射阻尼和气承刚度这一简化气动力模型来考虑空气与振动薄膜结构之间的相互作用。分别推导了附加空气质量、辐射阻尼和气承刚度的计算方法及其相应的变化规律。并进一步采用算例分析对结构在空气中的自由振动和受迫简谐振动进行了系统分析,同时探讨了气动力对薄膜结构动力特性的影响规律。     

基于模态综合法的含间隙折叠舵面动态特性分析

基于模态综合法对含间隙折叠舵面的非线性动态特性进行了研究。首先根据折叠舵面的结构特性建立含铰链连接的有限元模型，并采用双协调自由界面模态综合法对折叠舵面的有限元模型进行降阶。其次对不含间隙的折叠舵面进行扫频和模态实验，检验有限元模型及其降阶动力学模型的精度，并基于模型修正得到铰链的等效线性连接刚度。最后将等效线性连接刚度和间隙值进行组合，得到不同间隙下铰链的非线性连接刚度，完成含间隙折叠舵面的非线性动力学模型建立。基于非线性动力学模型对含间隙折叠舵面进行数值扫频，计算结果与实验扫频结果吻合良好，验证了所建立非线性动力学模型的精度及其在含间隙折叠舵面非线性动态特性分析中的可行性。     

基于压电纤维复合材料的离心叶轮叶片高阶模态测量

为准确获取离心叶轮叶片的高阶振动特性及其模态,利用压电纤维复合材料(Marco fiber composite,MFC)对离心叶轮叶片进行模态测试。设计了MFC激励系统,提出了MFC选型、激励和测点位置的确定方法,研究了不同信号的高阶模态激励效果,并分析了MFC附加质量和刚度对叶片固有频率和模态的影响;结合有限元仿真结果,对比分析了前20阶振动模态的异同。试验结果表明:MFC具有操作简单、重复性好、信噪比高、能够稳定激励出高阶模态等优势,计算模态与测量模态吻合较好,在第6～8阶与第12～15阶之间存在模态密集区域;MFC附加质量和刚度对实验固有频率的影响低于4%。提出的MFC激励方法可用于具有较高固有频率的航空发动机部件的模态测量。     

具有时变刚度传动误差及间隙的齿轮系统动力学分析

建立了 ４ 自由度的直齿圆柱齿轮系统的非线性动力学方程。该方程包含了时变啮合刚度、传动误差及间隙。利用齿轮结构的旋转对称性,提出了用一个啮合齿对上的参数表示其它啮合齿对上参数的方法。为了求解方程,提出了一种有效的数值方法——基于打靶法的局部参数化延拓法。该方法不但能够得到非线性振动微分方程的周期解,而且特别适合处理含奇异点的非线性特征值问题。最后给出了一个数值计算示例。