基于液晶弹性体驱动mems开关的有限元分析

《基于液晶弹性体驱动mems开关的有限元分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、交流河北农机HEBEINONGJI摘要：介绍了基于光致形变液晶弹性体二维自由梁模型在不同条件下的弯曲程度。根据其有限元分析，计算模型在不同光照强度、不同L/h值、及均匀光照和局部光照下的变形量。设计了基于光致形变液晶高弹体的引信MEMS开关，并在二维自由梁模型仿真的基础上对MEMS开关做相关有限元分析。关键字：光致形变液晶弹性体；引信；MEMS开关；有限元分析DOI:10.15989/j.cnki.hbnjzzs.2015.02.031基于液晶弹性体驱动MEMS开关的有限元分析山西中北大学机电工程学院和晓杰周雪丽李世中1引言异构化反应只在材料表面发生。这种

2、由液晶分子的相MEMS（MicroElectro-MechanicalSystem）是指在集变引发的液晶弹性体的宏观收缩表现为材料尺寸和形[5]成电路工艺基础上发展起来的，集微传感器、微型机状的改变。构、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源由于聚合物材料对光的吸收，入射紫外光光强在等部件于一体的能完成某种特定功能的机械装置或系材料内部呈指数衰减，[1,2]统。目前，MEMS技术因其具有微型化、集成化、多样yi(y)=i0exp(-)d化、智能化等特点，已广泛应用于航空航天、汽车工业、其中，i(y)为材料表面的光照强度，d为入射光在材生物医疗、通信等

3、领域，并正在逐步向更小型化发展。料内部的衰减距离。微驱动器（MicroActuator）是MEMS的核心部件，是一[6,7]现建立如图1所示的二维梁模型：种可实现输出诸如力、力矩、位移等物理量的微器件，其可根据控制信号，将光、电、热等多种形式的能量转[3,4]化为机械能输出。现阶段，微驱动器按能量转换形式可分为电热驱动、电磁驱动器、压电驱动、形状记忆合金驱动等形式。目前，微驱动器普遍存在驱动电压高、图1光致形变液晶高弹体二维自由梁模型驱动位移小、响应时间长等问题。针对这一问题，本文其中，对二维自由梁施加自下而上的均匀光照，光提出了一种基于光致形变液晶弹性体

4、的新型微驱动致形变液晶高弹体本构模型由ABAQUS二次开发子程器。光致形变液晶弹性体材料是一种新型智能材料，其可通过非接触光照能量完成自身形状及尺寸的改变。序编写。分别取i0=0.1,0.75,1,1.5,2,2.5，d/h=1,L/h=10，在ABAQUS中仿真其在不同光照下的变形，经数据拟合将光致形变聚合物材料应用到MEMS微驱动器上具有得到光致形变液晶高弹体二维自由梁下表面的变形曲良好的远程可控性，且结构简单，体积小，驱动电压较线，如图2所示。由图2可以看出，二维梁下表面的弯低，不易受电磁、热等外界干扰影响，能更好地实现微驱动器微型化、智能化的要求。

5、曲度随着i0增大而增大，当i0增大到一定值时，变形量2基于光致形变液晶高弹体的二维自由梁模型仿真反而减小，当i0=0.75时，下表面达到最大形变。光致形变聚合物材料是一种含有偶氮苯的液晶弹性体，将偶氮苯等光致变色分子引入到液晶体系中，通过光致变色分子的光化学反应引发液晶的相转变。液晶分子具有各向异性排列和协同运动的特点，在360nm的紫外光的照射下，会产生液晶相到各向同性相的转变，即光化学相转变，分子的排列也因此出现图2不同光照强度下二维梁下表面挠度曲线“有序—无序”的变化。经过光异构化反应产生的顺式偶氮苯是弯曲结构，使整个液晶体系发生取向紊乱。偶氮苯单元

6、具有吸光性，但99％左右的入射光只能被小于1um的表面区域吸收。由于光致形变薄膜的厚度远大于入射光在材料内部的衰减距离，因此，偶氮苯的光图3i0=0.75时二维梁Y方向上的位移云图542015年第2期河北交流HEBEINONGJI农机为长4mm、宽3mm、厚0.4mm的液晶弹性体薄梁，采用与上述自由梁模型相同的材料本构模型。为增强MEMS开关的导电性，薄梁表面镀铜，厚度为0.04mm，镀层弹性模量为1.19e5MPa，泊松比为0.326。图4不同L/h时二维梁下表面挠度曲线光致形变液晶弹性体自由梁在光照下发生长度方向的缩短，由于梁的整体体积不变，所以，在厚

7、度方向上发生膨胀，如图3所示，梁的一端在Y方向上的变形位图6MEMS开关二维梁模型示意图移U2大于零，即发生了局部体积膨胀。图4为i0=0.75，为简化采用自定义本构模型在ABAQUS中的分析不同L/h值时，自由梁下表面变形位移曲线，可知L/h值难度，仍采用二维梁模型，如图6所示，对模型施加自越大，在相同光照下的形变量也越大。底向上的均匀光照，取d/h=1，L/h=10，固定模型最左边3基于光致形变液晶弹性体的引信MEMS开关设计的刚性位移。本文以美国M234/M235子弹引信为原型，将光致4.2MEMS开关微驱动器的有限元仿真分析形变液晶高弹体材料应用于

8、子弹药引信的自毁机构在ABAQUS建立上述有限元模型，进入后处理，