薄板型微懸臂梁流固耦合特性及其尺度效應研究.pdf

1、微懸臂梁傳感器是探索微觀世界的重要工具,被廣泛應用于微觀領域形貌探測和參數(shù)測量。由于頻率參數(shù)容易獲得,通過獲取微懸臂梁傳感器諧振頻率變化,進而間接探測被測對象的動態(tài)測量方法成為研究熱點。微懸臂梁傳感器主要工作于流體環(huán)境,而微懸臂梁傳感器在流體中振動時產(chǎn)生的流固耦合現(xiàn)象將引起諧振頻率異常下降,并表現(xiàn)出尺度效應,給以微懸臂梁傳感器為工具的定量研究帶來較大困難。因此揭示微懸臂梁傳感器流固耦合特性及尺度效應影響機理,修正諧振頻率與被測量之間的關

2、系模型已成為一項重要的研究內(nèi)容。
　　本文以確定微懸臂梁傳感器諧振頻率與流體密度、粘度和微懸臂梁材料特征長度等多參數(shù)之間的定量關系為目的,建立考慮尺度效應的二維微懸臂梁流固耦合模型,給出簡化數(shù)值求解方法,在此基礎之上,分析粘性流體環(huán)境下,微懸臂梁頻率響應中的流固耦合特性,以及微尺度下表現(xiàn)出的尺度效應。
　　作為尺度效應中最為典型的類型之一,微尺度下,材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)非均勻性引起的尺寸效應將不能忽略。基于修正Cosserat理論

3、建立了考慮尺寸效應的微平板二維力學模型,利用微分求積法(DQM)對微分方程進行了數(shù)值求解,分析了不同邊界條件下,微平板力學特性中的尺寸效應。在尺寸效應的影響下,微平板靜態(tài)撓度將減小而諧振頻率將增大,并且隨著板厚度及泊松比的增大,尺寸效應的影響逐漸減弱,而板長寬比的變化則與尺寸效應沒有直接的關系。
　　流體環(huán)境下流固耦合作用將引起微結(jié)構(gòu)的動力學特性發(fā)生變化。為獲得更為準確的頻率響應特性,建立了微平板振動邊界與密閉腔內(nèi)粘性流體發(fā)生耦合

4、作用時,考慮尺寸效應及耦合面邊界滑移這兩種類型尺度效應的二維流固耦合模型,提出基于等效參數(shù)提取的簡化數(shù)值求解方法,分析粘性流體環(huán)境下,不同邊界微平板的頻率響應特性。在流固耦合作用影響下,微平板各階諧振頻率及振幅均顯著降低,且影響程度不但取決于流體的密度,還與粘度,雷諾數(shù)等參數(shù)密切相關。當考慮尺寸效應影響時,諧振頻率受粘性流體影響的程度將減弱;而當引入邊界滑移條件后,流固耦合作用對頻率響應的影響同樣有所降低,但是非常微弱。
　　以邊

5、界與粘性流體發(fā)生耦合作用微平板流固耦合特性研究為基礎,建立浸于無限大粘性流體中的考慮尺度效應的微懸臂梁二維流固耦合方程組,分析微懸臂梁頻率響應中的流固耦合特性。微尺度下,粘性流體對微懸臂梁的作用不再只是流體附連水質(zhì)量,流體粘性力作用同樣不能忽略。隨著模態(tài)數(shù)的增加,同種粘性流體對諧振頻率的影響也隨之增大。同時隨著微懸臂梁厚度的減小、泊松比的提高以及長寬比的增大,流固耦合作用的影響程度將逐漸增強。
　　針對薄板型微懸臂梁頻率響應中的尺

6、寸效應以及浸于粘性流體中的微懸臂梁流固耦合特性進行實驗研究,基于測量結(jié)果對微懸臂梁諧振頻率與尺寸效應、流固耦合特性之間的關系進行分析,論證了本文建立的理論模型和提出的基于等效參數(shù)提取的簡化數(shù)值方法在處理薄板型微懸臂梁流固耦合特性問題上的有效性,同時證明了仿真結(jié)論的正確性。
　　本文通過對薄板型微懸臂梁流固耦合特性及尺度效應的研究,建立了諧振頻率與流體密度、粘度和微懸臂梁材料特征長度等多因素之間的定量關系模型,分析了流固耦合作用及尺