Диссертация (1025962), страница 12

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 12)

4.23.Параметры актюатораВ результате решения задачи синтеза были определены рациональныепараметрыактюатора(Табл.8),рабочаяхарактеристикакоторогоудовлетворяет заданным условиям. Актюатор имеет площадь 6.35 мм2 . Времяработы программы – 3.1 часа.109Таблица 7.Границы изменения параметровТаблица 8.Рациональные параметры актюатораактюатораRm  [32,52] мм = 41.4 ммr1  [200,400] мкм1 = 230.2 мкмr2  [200,2800] мкм2 = 297.8 мкмr3  [200,2800] мкм = 623.6 мкмrp  [200,2800] мкм3 = 996.4 мкмh1  [10,40] мкмℎ1 = 20.3 мкмh2  [10,40] мкмℎ2 = 11.7 мкмh3  [10,40] мкмℎ3 = 10.9 мкмh4  [10,40] мкмℎ4 = 11мкм4.1.5.

Решение задачи многокритериальной оптимизацииВ ходе решения задачи рахождения рациональных параметров актюаторадля реализации прохлопывания на заданную величину при заданном давлении(см. раздел 3.7) было рассмотрено 80 реализаций (80 различных комбинацийгеометрических параметров). Решение считалось пригодным, если оно близко коптимальному по обеим целевым функциям, что определялось расчетчиком.Необходимо, чтобы перемещение центральной точки микроактюатора было неменьше заданного, для обеспечения требуемого контактного усилия, поэтомубыло введено дополнительное ограничение > ∗ .Проекция четырехмерного пространства ( , ℎ, , ) на критериальнуюплоскость P-v позволяет выбрать требуемое решение (Рис. 4.24) [66, 107, 108].На Рис.

4.24- шесть точек, близких к оптимальному решению, показанына выноске. Значения радиуса кривизны и толщины актюатора в этих точках110приведены в Табл. 9. Начальная и деформированная форма актюатора показанана Рис. 4.25.Рис. 4.24.Критериальная плоскость P-vТаблица 9.Значения параметров в оптимальных точкахНомер оптимальной Толщина, µмточкиРадиускривизны, мм12.2733.14022.2423.12732.2443.11942.2293.09852.2283.09762.2233.093111Предложеннаядействияпометодиказаданнымпроектированияфункциональнымактюаторовпараметрамдискретногопоказаласвоюэффективность и может быть рекомендована для создания широкого кругаисполнительных,предохранительныхикоммутационныхмикроэлектромеханических устройств.Рис.4.25.Начальная (пунктирная линия) и деформированная после прохлопывания(сплошная линия) формы актюатора для рациональной геометрии4.2.Гофрированные мембраныУпругие элементы находят широкое применение в приборостроении. Онииспользуются для создания определенного натяга между деталями, дляаккумулирования механической энергии, в качестве элементов передачидвижения, упругих опор, чувствительных элементов измерительных приборов.От точности расчета упругих элементов зависят надежность и качествоприборов [5].Достаточно распространенным конструктивным исполнением упругогоэлементаявляетсягофрированнаямембрана(Рис.4.26).Свойствагофрированной мембраны во многом зависят от ее профиля — образующейсрединной поверхности.112Упругаяхарактеристикагофрированноймембраны(зависимостьхарактерного перемещения от внешней нагрузки) является нелинейной вотличие от других типов манометрических упругих элементов (сильфонов,трубчатых пружин), упругие характеристики которых близки к линейным.Поэтому гофрированные мембраны могут быть использованы для измерениявеличин, нелинейно связанных с давлением (например, воздушной скоростиполета самолета, высоты его подъема, расхода жидкости или газа, проходящегопо трубопроводу).

Еще одной особенностью гофрированных мембран являетсявозможность получения значительных перемещений в пределах упругогосостояния материала.Однако существенная нелинейность характеристикимембраны приводит к сильному усложнению расчета.Рис. 4.26.Конструкция мембраны чувствительного элемента4.2.1. Проверка достоверности численных результатовДлязадачисинусоидальнымодеформированиипрофилембылогофрированнойпроведеносравнениемембранысрезультатов,полученных в авторской программе «Актюатор 1.0» с результатами,полученными В.И.

Феодосьевым [86].113Рассмотренагофрированнаямембранасинусоидальногопрофиля.Диаметр гофрированной мембраны, ее толщина и глубина гофрировки указанына Рис.4.27.Модуль упругости материала мембраны Е=0,95105 МПа,коэффициент Пуассона ν=0,33. Гофрированная мембрана жестко закреплена повнешнему контуру и нагружена равномерным давлением по всей площади.Нагрузка является следящей. В качестве расчетной модели принимаетсятонкостенная осесимметричная оболочка вращения.Рис.

4.27.Геометрические характеристики гофрированной мембраныВ ANSYS 14.5 задача решалась по осесимметричной модели сиспользованиемэлементовPLANE183свключениемопциибольшихперемещений методом дуговых засечек.На Рис. 4.28 приведено сравнение рабочих характеристик гофрированноймембраны при отношении глубины гофрировки к толщине мембаны2ℎ= 5.8,полученной в авторской программе «Актюатор 1.0» и вычисленной В.И.Феодосьевым [86].Результаты показывают хорошее совпадение (наличие неустойчивогоучастка, близость критических давлений), что позволяет утверждать одостоверности полученных результатов. Причиной расхождения является учетв расчете В.И.

Феодосьева прохлопывания только внешнего гофра.1144.2.1. Анализ гофрированных мембранВ результате работы программы «Актюатор 1.0» были полученыследующие результаты. Упругая характеристика гофрированной мембраны приотношении глубины гофрировки к толщине мембаны2ℎ= 5.6 приведена наРис. 4.29. По оси абсцисс отложено перемещение центральной точкигофрированной мембраны.Рис. 4.28.Рабочая характеристики гофрированной мембраны(сплошная линия – результат авторской программы «Актюатор 1.0»,пунтирная линия – результат, полученный В.И.

Феодосьевым [86])Деформированныеформымеридианагофрированнойоболочкивсоответствующих точках упругой характеристики приведены на Рис. 4.30.Переход от точки 1 к точке 3 упругой характеристики гофрированноймембраныосуществляетсяприпрохлопываниимембраны-потереустойчивости внешнего гофра. Наличие других неустойчивых участков наупругой характеристике мембраны объясняется постепенным прохлопываниемследующих гофров в процессе увеличения давления.115С помощью метода смены подпространства управляющих параметровполучено изолированное решение (решение, которое нельзя получить принепрерывном нагружении от нулевой точки) (Рис.

4.31). Для этого произведенасмена параметра продолжения на параметр глубины гофрировки: движения поповерхностиравновесныхсостоянийосуществлялосьпринеизменномперемещении характерной точки (красная линия).Рис. 4.29.Упругая характеристика гофрированной мембраны (2ℎ= 5.6)Рис. 4.30.Изменение формы меридиана гофрированной мембраны116Физический смысл изолированного решения – это прохлопываниевнешнего гофра, в случае, если гофрированная мембрана помещена впарафиновую пробку, не допускающую деформирование остальных гофров[86].Рис. 4.31.Получение изолированного решения4.2.2. Исследованиевлиянияосновныхпараметровгофрированной мембраны на ее рабочую характеристикуИсследовано влияние основных параметров гофрированной мембраны(глубиныгофрировки,внешнегорадиуса,толщины)нарабочуюхарактеристику с целью исследования пространства параметров для решениязадачи синтеза.Семействорабочиххарактеристиквпространстведавление–перемещение центральной точки – глубина гофрировки для различныхзначений глубин гофрировки показано на Рис.

4.32.Семейство рабочиххарактеристик в пространстве давление – перемещение центральной точки –117толщина мембраны для различных значений толщины мембраны показано наРис. 4.33.Рис. 4.32.Влияние глубины гофрировки мембраны на ее рабочую характеристикуРис. 4.33.Влияние толщины мембраны на ее рабочую характеристику118Семейство рабочих характеристик в плоскости давление – перемещениецентральной точки для различного числа гофр N показано на Рис. 4.34.Рис.

4.34.Влияние количества гофр на ее рабочую характеристику4.2.3. Решениезадачисинтезамногопараметрическойгофрированной мембраныРешеназадачаминимизацииплощадигофрированноймембраны,реализующей прохлопывание на заданную величину при заданном значениикритического давления (были заданы ограничения на величину перемещенияхарактерной точки после прохлопывания и критическое давление: ∗[17,17.5]мм, ∗ [2.09,2.15]МПа):Площадь гофрированной→ (17 − ∗ ) ≤ 0, ( ∗ − 17.5) ≤ 0,(2.09 − ∗ ) ≤ 0, (∗ − 2.15) ≤ 0.(4.2)119Параметрами мембраны являются радиус жесткого центра r1 , глубинагофрировки H. Толщина актюатора линейно изменяется от h1 до h2 междурадиусами r1 и r2 , от h2 до h3 между радиусами r2 и r3 и от h3 до h4 междурадиусамиr3ивнешнимрадиусом(Рис.4.35).Мембранаимеетсинусоидальный профиль.

Для аппроксимации четверти синусоиды строилсясплайн по np точкам. Границы изменения параметров приведены в Табл. 10.Рис. 4.35.Параметры гофрированной мембраныАктюатор изготовлен из кремния (физико-механические характеристики = 1.35 ∙ 105 МПа, = 0.3). Гофрированная мембрана жестко закреплена повнешнему контуру и нагружена равномерным давлением по всей площади.В ANSYS 14.5 задача решалась по осесимметричной модели сиспользованиемперемещенийэлементовметодомPLANE183дуговыхсвключениемзасечек.опцииКонечно-элементнаягофрированной мембраны показана на Рис.

4.36.Рис. 4.36.Конечно-элементная модель гофрированной мембраныбольшихмодель120В результате решения задачи синтеза были определены рациональныепараметры гофрированной мембраны (Табл. 11), рабочая характеристикакоторой удовлетворяет заданным условиям (Рис.4.37).Таблица 10.Границы изменения параметровТаблица 11.Оптимальные параметры актюатораактюатораH  [1.5,3] ммr1  [3,7] ммr2  [15,39] ммr3  [40,50] ммh1  [0.6,0.75] ммh2  [0.6,0.75] ммh3  [0.6,0.75] ммh4  [0.6,0.05] ммnp  [3,5] = 1.96 мм1 = 5.31 мм2 = 18.6 мм3 = 45.9 ммℎ1 =0.69 ммℎ2 = 0.62 ммℎ3 = 0.67 ммℎ4 =0.61 мм = 3Деформированная форма мембраны показана на Рис.

4.37. Мембрана имеетплощадь 9.49 ∙ 103 мм2. Время работы программы – 3.6 часа.4.3.Выводы по четвертой главе1. Результаты, полученные в авторской программе, показали хорошеесогласование с результатами расчетов в конечно-элементов комплексеANSYS 14.5.2. Основными параметрами, влияющими на рабочую характеристикуактюаторов являются: радиус кривизны, радиус опорной поверхности,радиус центрального отверстия и толщина.1213. Результаты расчета показывают, что при увеличении радиусакривизны меридиана актюатора первая критическая температура иполезное перемещение точки закрепления контакта понижаются, авторая критическая температура увеличивается.4.

Актюаторы с отверстием имеют меньшие полезные перемещения инапряжения на периферии диска. Существует критический размеротверстия, при котором рабочая характеристика актюатора перестаетбыть дискретной.5. В ходе решения задачи синтеза определены оптимальные параметрыактюатора наименьшей площади с учетом ограничений, наложенныхна его рабочую характеристику6.

Характеристики

Список файлов диссертации