Диссертация (1025962), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

Каждаяоднопараметрическая задача решается с помощью метода продолжения попараметру. Переход между однопараметрическими задачами осуществляетсяметодом смены подпространства управляющих параметров.Целью данной диссертационной работы является разработка методикирасчетаипроектированиясложногомногопараметрическогопроцессанелинейного деформирования актюаторов дискретного действия. Численныйанализсложногомультипараметрическогопроцессанелинейногодеформирования актюаторов дискретного действия позволяет определятьрабочую характеристику элемента на всех стадиях процесса нелинейногодеформирования и напряженно-деформированное состояние актюатора. Врамках решения задачи синтеза определяют рациональные параметрыактюатора для реализации дискретного срабатывания.Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующиезадачи:1.

Критический анализ и обобщение существующих подходов с цельювыбора рациональных расчетных моделей актюаторов дискретногодействия.2. Разработка алгоритма нелинейного анализа и синтеза конструкцийисполнительных элементов на основе выбранных расчетных моделей3. Создание численной методики на основе возможностей существующихприкладных программных комплексов и авторских программ дляреализации алгоритма расчета исполнительных элементов.4. Проверка достоверности и тестирование результатов работы программы иихсопоставлениесрезультатами,полученнымиспомощьюпрограммного комплекса «ANSYS», результатами решения тестовыхзадач и результатами эксперимента.95.

Реализация разработанной методики для решения практических задачсоздания новых и улучшения существующих конструкций актюаторовдискретного действия.Дляанализапроцессанелинейногодеформированияактюаторовиспользовались классические модели нелинейной теории тонкостенныхконструкций. Задача сводилась к краевой задаче для системы нелинейныхдифференциальныхуравненийисистеменелинейныхалгебраическихуравнений высокого порядка, зависящих от нескольких параметров.

Дляанализа осесимметричных актюаторов дискретного действия применялся методпродолжения по параметру, для синтеза осесимметричных актюаторовприменялся метод смены подпространства управляющих параметров всочетании с многопараметрическим подходом. Проектирование актюаторовсложной формы осуществлялось с помощью метода конечных элементов иэволюционногоалгоритма.Данныеметодыреализованывавторскихпрограммах «Актюатор 1.0», «Актюатор 2.0»; ANSYS, Abaqus, Matlab, pSeven.Авторские программы написанны на языке С, графический интерфейсразработан в программе Matlab. Подана заявка на свидетельство о регистрацииавторской программы.В результате решения задачи синтеза разработана новая конструкцияактюатора, подана заявка на патент.

Также подготовлены рекомендации дляулучшения существующих конструкций актюаторов.На защиту выносятся следующие положения диссертации, обладающиеэлементами научной новизны:1. Создана численная методика синтеза актюаторов дискретного действия,позволяющаясовершенствоватьсуществующиеисоздаватьновыепереходмеждуконструкции мехатронных устройств;2. Предложеналгоритм,реализующийплавныйподпространствами параметров при движении по поверхности равновесныхсостояний;103. Разработан комплексный подход, позволяющий определять рациональныепараметры актюаторов для реализации дискретного срабатывания сиспользованиемавторскихпрограммисуществующихприкладныхпрограммных комплексов;4.

Получены результаты, проясняющие влияние различных параметров напроцесс нелинейного деформирования актюаторов дискретного действия;5. Созданыновыеконструкцииактюаторовдискретногодействия,защищенные патентом, использование которых позволит существенноповысить эксплуатационные свойства устройств.Практическаязначимостьопределяетсяразработкойметодики,алгоритма и программного обеспечения для расчета и проектированияактюаторовдискретногодействия,используемыхвсовременныхэлектротехнических устройствах, выдачей рекомендаций по рациональномупроектированию актюаторов сложной геометрической формы,разработкойновых конструкций мехатронных устройств и использованием патента длярасширения элементной базы МЭМС.Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и спискалитературы из 162 наименований.В первой главе диссертационной работы проводится обзор и анализлитературных источников, посвященных истории создания и современномусостоянию термобиметаллических элементов, применению биметаллическихактюаторов дискретного действия в конструкциях современных устройств иособенностям расчета и проектирования актюаторов с дискретной расчетнойхарактеристикой.Во второй главе приводятся основных соотношения, описывающиепроцесс нелинейного деформирования актюаторов в форме осесимметричныхоболочек и актюаторов сложной формы.В третьей главе описываются методы и алгоритмы решения задач анализаи синтеза, а также их программная реализация.11Результаты решения задач анализа и синтеза, а также проверка ихдостоверности (по известным решениям тестовых задач, посредством расчетовв конечно-элементном программном комплексе ANSYS 14.5 и сравнением срезультатами эксперимента) проиллюстрированы в четвертой главе.

В этойглаве также анализируется влияние различных параметров актюаторов на ихрабочие характеристики.Практическое применение предложенной методики для расчетасуществующих конструкций, а также для создания новых, описано в пятойглаве.Апробация результатов исследованияПо теме настоящего исследования были сделаны доклады на следующихконференциях: на научных конференциях аспирантов кафедры прикладной механикиМГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2013, 2014, 2015 г.); на ХХI Международном Симпозиуме «Динамические и технологическиепроблемы механики конструкций и сплошных сред» им.

А.Г. Горшкова(г. Кремёнки, 2015 г.); на международной конференции Glyndŵr University & StaffordshireUniversity Joint Researcher Development Conference (Stoke-on-Trent, UK,2015 г.); на IV международной конференции Advanced Composites and MaterialsTechnologies for Arduous Applications (Wrexham, UK, 2015 г.); на международной конференции Advanced Materials for DemandingApplications (St.Asaph, UK, 2014 г.); на XIX Международном Симпозиуме «Динамические и технологическиепроблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г.

Горшкова(г. Ярополец, 2013 г.);12 на V Международной конференции «Проблемы механики современныхмашин» (г. Улан-Удэ, 2012 г.); на научном семинаре кафедры прикладной механики МГТУ им. Н.Э.Баумана (Москва, 2015 г.).Результаты работы внедрены на ООО «Сенсорные системы МГТУ им.

Н.Э.Баумана» и используются при расчетах микроэлектромеханических устройств.По теме диссертации опубликовано 8 работ, из них 4 статьи врецензируемых журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК РФ для публикациирезультатов исследований, и 1 статья в зарубежном научном издании.13ГЛАВА 1.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ПОСВЯЩЕННОЙ РАСЧЕТУ ИПРОЕКТИРОВАНИЮ АКТЮАТОРОВ ДИСКРЕТНОГО ДЕЙСТВИЯПоследние разработки в области микроэлектромеханических системсущественно расширили их область применения. МЭМС используются вавтомобилестроении, авиакосмической промышленности, энергетике, химии,фармакологии, медицине (микрохирургия, подача лекарств, искусственныеорганы) [48]. В связи с этим возникает задача создания новой элементной базыМЭМС, а также задача совершенствования методики расчета существующихМЭМС.В зависимости от типа энергии, которая используется для реализациитребуемогомеханическогоперемещения,актюаторов:пьезоэлектрические,выделяютэлектромагнитные,различныевидыэлектростатические,биметаллические, термо-пневматические, с эффектом памяти формы.Даннаяработапосвященабиметаллическом эффекте [156].расчетуактюаторов,основанныхнаТакие актюаторы состоят из двух слоев,выполненных из материалов с различными коэффициентами линейноготеплового расширения (КЛТР) и прочно соединенных друг с другом.

Слойбиметалла с большим КЛТР называют активным, с меньшим – пассивным. Принормальной температуре слои имеют одинаковую длину.При воздействиитемпературы слои удлиняются. Активный слой удлиняется интенсивнее, чемпассивный.Поэтому слой с большим КЛТР подвергается сжимающимусилиям, а слой с меньшим КЛТР – растягивающим (Рис. 1.1). Возникающие всечении биметалла напряжения распределяются неравномерно, возникаютдеформации и актюатор изгибается в сторону пассивного слоя (на Рис. 1.2черный слой имеет меньший КЛТР, чем серый).Прогибы биметаллических стержней значительно превышают прогибыоднородных пластин.Сравним перемещения, получаемые при нагревеоднородного стержня и биметаллической пластины с одинаковым линейным14размером (длиной 100 мм) на одинаковую температуру (100℃).

Стержень изсплава 75ГНД с высоким КЛТР удлиняется на 0.3 мм, что в 70 раз меньшепрогиба биметаллической пластины марки ТБ2013 с составляющими 75ГНД и36Н толщиной 1 мм (21 мм)[8].Рис. 1.1.Распределение деформаций и напряжений в биметаллеДостоинствами биметаллических актюаторов являются: простая конструкция (в качестве деформируемой структуры используетсятонкая двухслойная оболочка, для нагрева - резистор), возможностьсозданияконструкций,размеркоторыхлежитвмикродиапазоне, нежесткие требования к материалам (материалы слоев оболочки должныиметь разные КЛТР и быть достаточно прочными), полезное перемещение оказывается во много раз больше температурногорасширения биметаллов, реализуемостьтребуемыхперемещенийхарактерныхточекпристандартных уровнях электрических напряжений в микроэлектронике, отсутствие зависимости нагрузки от текущего положения актюатора, простой процесс производства, совместимый со всеми стандартнымиэтапами изготовления интегральных схем.К недостаткам биметаллических микроактюаторов можно отнести:15 большое потребление энергии нагревательным элементом, необходимость охлаждения нагревательного элемента для возвратаактюатора в исходное положение, что ограничивает его быстродействие.Рис.

Характеристики

Список файлов диссертации