一种微构件的多物理场耦合求解方法new

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1、第2期机械设计与制造2006年2月MaehinervDesi~n&Manufaeture文章编号：1001—3997(2006)02—0001—03区圃一种微构件的多物理场耦合求解方法张凯1．彭云峰(-哈尔滨工业大学(威海)汽车学院，威海264209)(哈尔滨工业大学机电学院，哈尔滨150001)Amethodtosolvethecouplingofmulti—physicsinMEMSZHANGKai一，PENGYun—fens~(SchoolofAutomobile，HarbinInstituteofTechnology(Weihai)，Weihai264209，C

2、hina)(HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China)o‘o‘o’o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o。o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘oo‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘o‘2【摘要】这里针对微机械电子系统中存在的多物理场耦合现象，提出一种微结构的多物理场耦合{2求解方法。该方法首先将微机械电子系统分解为机械场(实体微结构模型)和多个单物理场的组合；然l2后，对各物理场与实体微结构模型的控制方程采用有限元／边界元离

3、散为线性方程组，最后利用迭代l法求解。为证明方法的可行性，这里对微加速度传感器中的微悬臂梁结构进行多物理场解耦分析。解{耦分析的结果表明，该方法是合理可行的。j关键词：微结构；多物理场耦合；解耦lAbstract]Adpe舭ds。efesc。屁ngofmu一physicsMEMS．胁f舭l》MEMSsystemisdividedintoasolidstructureandseveralseparatephysicsdomains．Secondly,thegoverned2}equationsofindividualdomainsarediscretedthroughFE

4、M／BEM．Finally,aniterationmethodischosen}accordingtothepropertyofmulti—physicstosolvethefinalnonlinearequationsystem．Inordertoverifythis2}method，thedeformationofamicro—cantileverbeamofmicro—accelerometerisanalyzed,whichincludesthemechanicaldomainandelectrostaticdomaincoupling．2；Keywords：M

5、EMS；Couplingofmulti—physics；Decoupling2．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．．．。．。．。．。．。．。．．．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．．．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。．。一中图分类号：TH12TN4文献标识码：A微机械电子系统(MEMS)也称微机械，它是上世纪末出现反过来再对其他物理场发生作用这样一种循环耦合的现象。的新事物，与传统机械相比，微机械有很多的优点，具有极大的微机械系统与宏观机械一样，也是一个完整的系统，它包应用潜力。目前，ME

6、MS研究已经初步解决了微型化制作和微构含了很多物理场，如机械场、流体场、温度场、静电场、机械场、件功能开发等基本问题。但微机械中许多基础理论并没有解磁场、声场等【2】。而这些物理场对微机械系统中的微构件性能决，即微观条件下微机械的运动规律、微小构件的物理特性及的影响就构成了多物理场的耦合，微机械系统体现出来的动力其动力学特性【1】。由于微机械系统中结构的特征尺寸非常微学性质是这些物理场作综合作用的结果。小，导致微机械系统中出现微观尺寸效应(包括物理规律的尺微机械系统中任何一个物理场的作用将引起微机械构件的寸效应和材料的尺寸效应)，这种微观尺寸效应将使在进行变形，微机械构

7、件的变形又影响该物理场和其他物理场性质的变MEMS的相关特性分析时不得不考虑许多宏观状况下可以被忽化；而变化了的物理场再进而影响微机械构件的变形，一直达到略的因素，如范德华吸引力、液桥张力和静电力等，而宏观条件机械场和其他多物理场之间的平衡为止。如图1所示，这种相互下考虑频繁的因素却被忽略，如重力的作用。微机械电子系统的影响、作用关系其实是通过微机械构件的变形发生的。中的微观尺寸效用将使微构件中本来就存在的多物理场耦合更加强烈和复杂。因此，要想对微机械系统进行动力学分析，则必须在分析微机械微观效应的前提下，对虮械系统进行多物理场耦合求解，