输流管式微纳机械谐振器能量耗散机理与振动特性研究

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随着微机电系统(MEMS)和纳机电系统(NEMS)的快速发展,这些技术已经日趋成熟并逐步投入实际应用。现如今,许多MEMS和NEMS器件已经在我们的日常生活中得到了广泛的应用,比如汽车用到的加速度计和压力传感器,输流管式微纳机械谐振器也是其中的一个重要应用。在现代工业中,管道是最常见的一种载流装置。随着现代科学技术的飞速发展,输流管道在航空宇航工程、海洋工程、生物工程、石油能源工程、化学工业及核工业等诸多领域内的应用越来越广泛。输流管谐振器在微纳生物器件和微纳机电系统领域有着大量的应用,比如气体存储、液体存储、液体输送和给药系统等。在MEMS和NEMS领域,静电驱动凭借良好的结构稳定性以及优良的灵敏度成为优选的驱动方式,热弹性阻尼是微纳机械器件固有的内在能量耗散机制,是室温下一种非常重要的能量耗散机制,因此研究输流管谐振器在静电驱动下的振动特性和热弹性阻尼特性有着广泛的需求,对输流管谐振器的设计制造有着重要意义。本文分析了静电力作用下输流管谐振器的静态特性、动态特性和频率特性,还研究了输流管谐振器的在不同模型下的热弹性阻尼特性。对静电驱动输流微梁谐振器进行了动力学建模,推导了运动控制方程,运用微分求积法(Differential Quadrature Method,DQM)求解了运动控制方程。分析和讨论了边缘效应对静电吸合效应的影响,讨论了多种参数对微梁的静态特性和动态特性的影响,求解了输流微梁谐振器的Argand图,分析并讨论了多种参数对其稳定性的影响。研究了碳纳米输流管谐振器的静电吸合特性,综合考虑了中平面拉伸效应、非局部效应、静电力、范德瓦尔力的影响。对碳纳米输流管谐振器的静态特性、动态特性、频率特性进行了分析,探讨了范德瓦尔力对碳纳米管静电吸合特性的影响。研究了输流管谐振器的热弹性阻尼特性。采用四种模型研究了材料特性、微梁的截面几何形状、微梁通道占比对热弹性阻尼的影响。为输流管谐振器的分析和设计提供了理论参考。
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