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正交结构黏性阻尼能量耗散抑制机理研究

正交结构黏性阻尼能量耗散抑制机理研究

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作者：盖丁吉林大学

学位级别：硕士

微纳悬臂梁式传感器以高灵敏度、便携、低成本和快速测量等特点成为了近年来国内外的研究热点,广泛应用于工业生产、卫生医疗以及石油化工等领域。然而当工作介质为粘性流体时,振动系统各类型能量耗散中,由于粘性流体导致的黏性阻尼能... 详细信息

微纳悬臂梁式传感器以高灵敏度、便携、低成本和快速测量等特点成为了近年来国内外的研究热点,广泛应用于工业生产、卫生医疗以及石油化工等领域。然而当工作介质为粘性流体时,振动系统各类型能量耗散中,由于粘性流体导致的黏性阻尼能量耗散占比大幅度增加,表现为传感器精确度的急剧下降,甚至是失效。探索底层的能量耗散抑制机理成为了提升传感器性能的重要途径。相比于弯曲振动,面内振动中的剪切模态具有更少的附加质量和黏性阻尼。因此,本文拟提出一种正交悬臂梁新结构,将低频弯曲激振和高频剪切传感相结合,以实现低功耗状态下的能量耗散抑制。主要内容及结论如下:理论方面:推导了基于单悬臂梁在粘性流体中的运动学表达式,并建立了单悬臂梁插入液体中的集总参数模型,分析了在外部激励下,几何参数对单悬臂梁振动系统的谐振频率和响应幅值的影响规律。分别建立了弯曲模态和剪切模态下单悬臂梁在粘性流体中的响应表达式。结合流体边界层理论和攻角平板阻力系数,对比分析了弯曲、剪切模态下悬臂梁在粘性流体中的附加质量和黏性阻尼,探索了黏性阻尼能量耗散抑制机理,进一步推导了粘性流体中正交悬臂梁的振动表达式,并建立了其对应的集总参数模型,提出了基于正交悬臂梁的能量耗散抑制机理。仿真方面:分别建立了单悬臂梁和正交悬臂梁的三维有限元模型,并通过Ansys仿真软件,对比分析了两个有限元模型在粘性流体中的相对阻力分布规律,验证了正交悬臂梁的能量耗散小于传统的单悬臂梁。通过仿真分析插入液体中的悬臂梁的几何尺寸参数对幅频响应特性的影响规律,初步确定了两种用于传感实验的悬臂梁几何参数。实验方面:加工了多种尺寸的悬臂梁样件、夹具,为深入探究黏性阻尼能量耗散,以及完善悬臂梁流固耦合运动学方程提供可靠实验数据,以插入深度和粘性流体样本种类作为变量,设计并搭建了实验测试平台。首先,保持正交悬臂梁的几何尺寸固定不变,与此同时改变实验样本的浓度比例和悬臂的插入深度,初步验证了正交悬臂梁的低能量耗散机制。然后,改变正交悬臂梁的主副梁长度比,分析了其在不同插入深度及不同液体样本中的品质因子,实验数据表明各长度比正交悬臂梁品质因子平均提升3倍以上,在极限条件下品质因子最高提升至5倍,验证了正交悬臂梁在抑制黏性阻尼能量耗散上效果显著,解决了粘性流体中悬臂梁式传感器能量耗散高导致传感失效的问题。最后,通过双因素方差法对实验数据进行分析处理,结果表明了正交悬臂梁兼具高品质因子及高灵敏度的特点。优化方面:从材料性质方面出发,分析了加工工艺对悬臂梁振动性能的影响。提出了正交悬臂梁结构连接处的优化设计方案,使新结构拥有更好的能量耗散抑制效果和更高的稳定性,为微纳悬臂梁式流体传感器提供了新的设计思路。

关键词：粘性流体黏性阻尼能量耗散正交悬臂梁抑制机理品质因子

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