平面S型微弹簧多轴向弹性系数分析.pdf

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1、2014焦仪表技术与传感器2014第4期InstrumentTechniqueandSensorNo．4平面S型微弹簧多轴向弹性系数分析程建建，聂伟荣，周织建，黄庆武(南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094)摘要：针对在集中力作用下s型弹簧弹性系数理论公式不完善以及惯性力环境下弹簧弹性系数理论公式缺乏，推导了弹簧横向、纵向以及垂直方向弹性系数理论公式。利用仿真软件验证理论计算公式的正确性，分析得到在集中力作用下弹簧的弹性系数理论值与仿真值相对误差小于0．3％，惯性力作用下的弹簧弹性系数理论值与仿真值相

2、对误差小于2％。分析表明，弹簧横向弹性系数随着环境力的增大而减小；在纵向惯性力作用下，与锚点相连弹簧u单元弹性系数最小以及最大正应力最大；在垂直方向惯性力作用下，弹簧垂直方向弹性系数随质量块体积增大而减小。关键词：微惯性器件；平面微弹簧；多轴向弹性系数；惯性力；集中力中图分类号：TH703文献标识码：A文章编号：1002—1841(2014)04—0004—03Multi．axialElasticCoeficientAnalysisofPlanarS·-shapedMicro--springCHENGJian

3、-jian，NIEWei—rong，ZHOUZhi-jian，HUANGQing—WH(SchoolofMechanicalEngineering，Nan]ingUniversityofScienceandTechnology，Nanjing210094，China)Abstract：ElasticcoefficientformulaofS-shapedspringundertheconcentratedforceisdeficient，andspringislackofelasticcoefficientf

4、ormulaundertheinertiMforce．Thereforemulti-axialelasticcoeficienttheoreticalformulasofplanarS-shapedmicro—springwerededuced．Thispaperusedsimulationsoftwareverifiesthetheoreticalcorrectnessoftheformulas．Theanalysisresultsshowtherelativeerroroftheoreticalvalue

5、andsimulationvalueislessthan0．3％undertheconcentratedforce．andtherelativeer_rorislessthan2％undertheinertialforce．Thetransverseelasticcoefficientisalongwiththeenvironmentforceincreasing．ThelongitudinalelasticcoeficientoftheUunitwhichisconnectedwiththeanchoris

6、minimal，andmaximumnormals~essisthelar-gestundertheinertialforce．Theverticalelasticcoefficientdecreaseswithmassvolumeincreasingundertheactionofinertialforce．Thestudyprovidestheoreticalreferenceforoptimaldesignofmicroinertialdevice．Keywords：microinertialdevic

7、e；planarmicro—spring；multi—axialelasticcoeficient；inertialforce；concentratedforce0引言平面S型弹簧的结构，如图1所示。弹簧由n个结构相同微弹簧是MEMS(microelectro-mechanicalsystems)器件的的u型单元组成，质量块(其体积为)与平面S型弹簧的第重要组成部分，其为MEMS器件提供弹性力以及传递能量⋯。一个U型单元的顶端相连接，第n个u型单元底端固定。B为S型弹簧是最典型微平面弹簧之一，其3个坐标方向的

8、弹簧弹簧线宽，为弹簧u型单元直梁长度，R为弹簧弯半径，日为弹性被广泛地应用于MEMS器件设计中。文献采用S型弹结构厚度，为质量块质心到弹性单元U．1自由端的Y轴向长簧的横向刚度为结构的主刚度，但缺少相应的弹性系数理论计度。算公式。文献[3—4]利用S型弹簧纵向弹性设计器件，文献[2，5]推导了集中力作用下S型弹簧的纵向弹性系数。文献[6—7]中结构的功能性刚度为S型弹簧的垂直方向刚度，文献∞[8]对