Диссертация (Разработка методики расчета и проектирования актюаторов дискретного действия)

Московский Государственный технический университетимени Н.Э. Баумана____________________________________________________________На правах рукописиНиколаева Анна СергеевнаРАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯАКТЮАТОРОВ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯДиссертацияна соискание ученой степеникандидата технических наук01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратурыНаучный руководительд.т.н., профессорГаврюшин С.С.Москва, 20152СОДЕРЖАНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………….5Глава 1.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ПОСВЯЩЕННОЙ РАСЧЕТУ ИПРОЕКТИРОВАНИЮ АКТЮАТОРОВ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ …131.1. Термобиметаллические элементы …………………………………...151.2. Применение актюаторов дискретного действия в конструкцияхсовременных технических устройств ……………………………………181.3. Особенности расчета и проектирования актюаторов с дискретнойрабочей характеристикой …………………………………………………271.4. Выводы по первой главе ……………………………………………38Глава2.МАТЕМАТИЧЕСКАЯМОДЕЛЬДЛЯОПИСАНИЯПРОЦЕССА НЕЛИНЕЙНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ АКТЮАТОРАДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ ……………………………………………….402.1. Осесимметричные актюаторы ……………………………………….402.2.

Актюаторы сложной формы …………………………………………482.3. Выводы по второй главе ……………………………………………..55Глава 3. АЛГОРИТМ ЧИСЛЕННОГО АНАЛИЗАИ СИНТЕЗААКТЮАТОРОВ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯ И ЕГО ПРОГРАММНАЯРЕАЛИЗАЦИЯ ………………………………………………………………..573.1. Алгоритм численного анализа осесимметричных актюаторов ……583.2.Программнаяреализацияалгоритмачисленногоанализаосесимметричных актюаторов …………………………………………...643.3.

Использование программного комплекса ANSYS 14.5для анализа актюаторов сложной формы ……………………...............693.4. Алгоритм синтеза осесимметричных актюаторов ………………..723.5. Программная реализация алгоритма синтеза осесимметричныхактюаторов ………………………………………………………………..743Стр.3.6. Синтез актюаторов сложной формы ………………………………..783.7. Многокритериальный синтез ……………………………................873.8.

Выводы по третьей главе ……………………………………………90Глава4.ПРОВЕРКАДОСТОВЕРНОСТИРЕЗУЛЬТАТОВ.ИССЛЕДОВАНИЕПАРАМЕТРОВАКТЮАТОРОВЧИСЛЕННЫХВЛИЯНИЯНАОСНОВНЫХИХРАБОЧИЕХАРАКТЕРИСТИКИ ………………………………………………………...4.1.Куполообразные актюаторы ………………………………..............92924.1.1. Проверка достоверности численных результатов напримере куполообразного актюатора ……………….................Исследование4.1.2.основныхпараметровкуполообразного актюатора на его рабочую характеристику …994.1.3.

Решение задачи синтеза однопараметрического актюатора1054.1.4.4.2.влиянияРешениезадачисинтезамногопараметрическогоактюатора …………………………………………………………...1064.1.5. Решение задачи многокритериальной оптимизации …….109Гофрированные мембраны …………………………………………..1114.2.1. Проверка достоверности численных результатов ………1124.2.2. Анализ гофрированных мембран …………………………114Исследование4.2.3.влиянияосновныхпараметровгофрированной мембраны на ее рабочую характеристику ……Решение4.2.4.4.3.Глава92задачисинтеза116многопараметрическойгофрированной мембраны ………………………………………..118Выводы по четвертой главе ………………………………………….1205.РАСЧЕТКОНСТРУКЦИЙСЛОЖНОЙСУЩЕСТВУЮЩИХИПЕРСПЕКТИВНЫХТЕРМОБИМЕТАЛЛИЧЕСКИХФОРМЫ,ИСПОЛЬЗУЕМЫХВАКТЮАТОРОВСОВРЕМЕННЫХМЕХАТРОННЫХ УСТРОЙСТВАХ ……………………………………..1224Стр.5.1.

Анализ существующих конструкций актюаторов ……………….1235.2. Анализ перспективных конструкций актюаторов ………………..1305.3. Решение задачи синтеза актюатора с язычком …………..............1345.4. Выводы по пятой главе …………………………………………….136ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ………………………………………...................137СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………………….1395ВВЕДЕНИЕВ настоящее время микроэлектромеханические системы (МЭМС)получилиширокое распространение в технике.Онииспользуютсявавтомобилестроении, авиакосмической промышленности, энергетике, химии,фармакологии, медицине.Для инновационно-технологического развитияРоссии работы в области МЭМС являются весьма значимыми.Любая управляющая система осуществляет контроль над объектом спомощью управляющих сигналов, ответное взаимодействие осуществляется спомощью сигналов обратной связи [158].МЭМС имеют аналогичнуюструктуру: сенсорная подсистема, актюаторная подсистема и подсистемаанализа информации и принятия решений.

Сенсорная подсистема служит дляизмерениясостоянияконтролируемогообъекта.Этоосуществляетсяпосредством передачи электрического сигнала в ответ на изменение какой-либовеличины в системе.Актюаторная подсистема, наоборот, осуществляетвоздействие на объект управления: при подводе к системе энергии реализуетуправляемое движение [106].Прогресс в разработке МЭМС возможен только при одновременномразвитии подходов к созданию всех трех подсистем. Создание ЭВМ во второйполовине XX века повлияло только на подсистему анализа и принятиярешений,обеспечивОтносительноедляотставаниенеевунификациюметодахаппаратурныхсозданиярешений.измерительнойиисполнительной подсистем является препятствием на пути дальнейшегоусовершенствования МЭМС [56].

Таким образом, создание методики расчета ипроектирования актюаторной компоненты МЭМС является актуальной задачей.В зависимости от вида преобразуемой энергии выбирают различные типыактюаторов:пьезоэлектрические,электромагнитные,электростатические,биметаллические, термо-пневматические, с эффектом памяти формы [117].Данная работа посвящена биметаллическим актюаторам.

Деформация таких6актюаторов обусловлена биметаллическим эффектом [100].примененияразнообразнапереключатели,реле,ивключаетпредохранители,всебя:Их областьтермомеханическиемикрозеркала,микрозахваты,микропереключатели и манипуляторы и др.Ко многим чувствительным элементам современных техническихизделий предъявляются требования дискретного срабатывания при монотонноизменяющемся внешнем воздействии.Хорошо известны биметаллическиеактюаторы куполообразной формы, которые изменяют направление кривизнына обратное, прощелкивая при достижении критической температуры [152].Несмотря на простоту изготовления, такие актюаторы имеют и ряднедостатков: нестабильная температура срабатывания, ограниченная величинареализуемых перемещений.

Были проведены многочисленные исследования сцелью устранения указанных недостатков.Предложены конструкторскиерешения, позволяющие увеличить полезные перемещения, точность истабильность температуры срабатывания [147]: широкое распространение вконструкциях современных предохранителей для защиты от электрических итемпературных перегрузок получили прощелкивающие оболочки с Uобразными язычками. Они могут быть использованы для создания надежного иустойчивого контакта электрической цепи.

Это определяет работоспособностьустройства в целом, потому что таким образом устраняется искрение контактови не возникает дребезг.Известныеаналитическиеметодикидляанализатонкостенныхоболочечных конструкций [1, 58, 61, 82, 84, 87] не позволяют в полной мере и стребуемойточностьюдеформированияучестьсовременныхвсеособенностибиметаллическихпроцессанелинейногоактюаторов,атакжеаналогичных исполнительных элементов, изготовленных из неметаллическихматериалов. Оказывается недостаточным исследовать процесс деформированиятолько в докритической области или рассматривать задачу в линейнойпостановке.Процессдеформированияисполнительныхэлементови7биметаллических актюаторов новых конструкций является существеннонелинейным, зависящим от многих параметров, поэтому решение, как правило,оказывается многозначным и чувствительным к малым возмущениям.

Процессрасчета и проектирования подобных элементов требует создания уточненныхметодик с использованием подходов многокритериальной оптимизации.Необходимо совершить переход от решения задач анализа к решению задачсинтеза рациональных конструкций.Использование для численного исследования данного класса прикладныхзадач современных конечно-элементных комплексов (ANSYS, Abaqus и т.п.)связано со значительным временем счета на ЭВМ и, по сути, является несовсем пригодным для решения задач синтеза.

В ряде случаев использованииМКЭ трудозатратно и нерационально, поскольку требует многократногоперестроениясеткиприварьированиигеометрическихпараметровконструкции.Таким образом, актуальность диссертационной работы определяетсянеобходимостью решения важной прикладной научно-технической задачи,посвященной расчету и проектированию актюаторов дискретного действия,применяемых в конструкциях электротехнических устройств, улучшением ихкачества и потребительских свойств.Существует два подхода к исследованию процессов бифуркации изакритического поведения нелинейных механических систем.В рамкахпервого подхода при анализе устойчивости определяют значения параметроввнешней нагрузки, при которых данная конструкция имеет смежные формыравновесия.Это направление основано Л.

Эйлером, исследовавшимустойчивость гибкого стержня при продольном изгибе.В рамках второгонаправления строят поверхность равновесных состояний в пространствепараметров и исследуют ее с помощью методов продолжения и итеративныхметодов [14, 38]. С.С. Гаврюшиным был предложен многопараметрическийподход и прием смены подпространства параметров [22, 45].8В рамках многопараметрического подхода последовательно решаютсяоднопараметрическиезадачи,принадлежащиемногопараметрическомусемейству задач, в которое погружена рассматриваемая задача.