本文選題：有限元方法　切入點：模態(tài)分析　出處：《西安科技大學(xué)》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：壓電微懸臂梁是一種集體積小、成本低、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單以及易于集成等眾多優(yōu)點于一身的微型器件。目前它廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物和環(huán)境監(jiān)測等眾多領(lǐng)域。之所以利用微壓電懸臂梁的動態(tài)模式進(jìn)行檢測,是因為其具有頻率變化快,靈敏度高,動態(tài)范圍寬的優(yōu)點。利用微壓電懸臂梁的動態(tài)模式可以對某些氣體、液體成分進(jìn)行分析,這已然成為國內(nèi)外進(jìn)行研究的熱點。雖然微壓電懸臂梁的應(yīng)用具有廣闊的前景,但是關(guān)于微懸臂梁各種性能參數(shù)對它的靈敏度的影響,尚未進(jìn)行系統(tǒng)性的分析研究。本文以微壓電懸臂梁智能結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)有限元分析為研究課題,在綜述有限元理論和壓電微懸臂梁理論的基礎(chǔ)上,通過有限元方法,使用有限元分析軟件,對微壓電懸臂梁進(jìn)行模擬仿真,并且對其模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行驗證。主要研究內(nèi)容包括:(1)兩種方式對壓電微懸臂梁進(jìn)行模態(tài)分析,其一,通過數(shù)學(xué)有限元方法推導(dǎo),數(shù)值計算求得其理論解;其二,通過軟件模擬仿真,得到其實驗解。取其前十階模態(tài),觀察其陣型,并驗證理論解與實驗解之間的偏差。(2)結(jié)合固體物理學(xué)知識及數(shù)學(xué)有限元方法建立數(shù)學(xué)分析模型,運用大型有限元分析軟件,對微懸臂梁進(jìn)行模擬仿真。研究討論各個參數(shù)如電極層、壓電層、二氧化硅層、基底層材料屬性、彈性常數(shù)及厚度對壓電微懸臂梁諧振頻率的影響。(3)結(jié)合理論知識力一電藕合問題的數(shù)理基礎(chǔ),分析各個參數(shù)如電極層材料、壓電層材料、基底層材料、與二氧化硅層材料對壓電微懸臂梁傳感靈敏度的影響。研究表明,材料厚度、材料屬性、彈性常數(shù)均對壓電微懸臂梁諧振頻率有明顯影響。同時,基底層、壓電層、電極層、二氧化硅層的材料選擇對微壓電懸臂梁的傳感靈敏度有重要影響。通過對壓電微懸臂梁進(jìn)行理論研究,數(shù)值計算,軟件模擬,來選擇理想的材料屬性,設(shè)計合適的外形尺寸,涂鍍不同的敏感層以及選擇恰當(dāng)?shù)拿舾袑雍穸?這些都對研究設(shè)計高靈敏度的微懸臂梁具有十分重要的學(xué)術(shù)價值和科學(xué)意義。
[Abstract]:Piezoelectric microcantilever beam is a kind of micro device with many advantages such as small size, low cost, high sensitivity, simple structure and easy integration. In many fields, such as biological and environmental monitoring, the dynamic mode of micro-piezoelectric cantilever beam is used to detect it because of its fast frequency change and high sensitivity. The advantages of wide dynamic range. Some gases and liquids can be analyzed by using the dynamic mode of micro piezoelectric cantilever beam, which has become a hot research topic at home and abroad. Although the application of micro piezoelectric cantilever beam has a broad prospect, However, the influence of various performance parameters on the sensitivity of the micro cantilever beam has not been systematically studied. In this paper, the mathematical finite element analysis of the intelligent structure of the micro piezoelectric cantilever beam is taken as the research topic. On the basis of summarizing finite element theory and piezoelectric micro cantilever beam theory, the simulation of micro piezoelectric cantilever beam is carried out by finite element method and finite element analysis software. And the results of modal analysis are verified. The main research contents include: 1) two ways of modal analysis of piezoelectric micro-cantilever beam. Firstly, the theoretical solution is obtained by mathematical finite element method and numerical calculation. Through the software simulation, the experimental solution is obtained. Taking the first ten modes, observing the formation, and verifying the deviation between the theoretical solution and the experimental solution, the mathematical analysis model is established with the knowledge of solid state physics and the mathematical finite element method. The finite element analysis software is used to simulate the micro cantilever beam. The properties of various parameters, such as electrode layer, piezoelectric layer, silica layer, substrate material, are studied and discussed. The influence of elastic constant and thickness on resonant frequency of piezoelectric microcantilever beam. The effect of silicon dioxide layer material on the sensitivity of piezoelectric microcantilever beam is studied. The results show that the thickness of the material, the properties of the material and the elastic constant have significant effects on the resonant frequency of the piezoelectric microcantilever beam. At the same time, the substrate, the piezoelectric layer, the electrode layer, the base layer, the piezoelectric layer, the electrode layer, The material selection of silica layer has an important influence on the sensing sensitivity of the micro piezoelectric cantilever beam. Through the theoretical research, numerical calculation and software simulation of the piezoelectric micro cantilever beam, the ideal material properties are selected and the appropriate shape size is designed. It is of great academic value and scientific significance to study and design micro-cantilever beam with high sensitivity by coating different sensitive layer and choosing appropriate thickness of sensitive layer.
【學(xué)位授予單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O241.82

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本文編號：1613143