考虑损伤效应MEMS微板结构的非线性静动力学分析

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微梁及微板等微结构作为微机电系统的核心构件被广泛应用于传感器,致动器以及微加速度计等 MEMS器件。国内外学者对微纳米结构的静动力特性进行了广泛而深刻的研究。大量研究表明微纳米结构的力学性能受尺度效应的影响,因此经典力学理论已不能准确描述和解释微纳米结构的静动力学行为。另外,由于材料疲劳或加工制造等因素的影响,MEMS微结构在复杂的工作环境中会出现各种形式的缺陷,如:损伤,裂纹等。因此,建立和发展综合考虑尺度效应和损伤效应的微结构模型和理论至关重要。本文以具缺陷的 MEMS微板结构为研究对象,综合考虑微结构几何非线性以及尺寸效应等因素,探讨含微缺陷的 MEMS微板结构的非线性静动力学控制方程的建立,寻求该复杂非线性系统的求解方法,讨论微板的损伤、几何非线性以及尺寸效应等诸因素对该非线性系统静动力学性能的影响。  基于克西霍夫板理论、修正偶应力理论以及等效应变原理,采用哈密尔顿原理导出了综合考虑尺度效应及损伤效应弹性微板运动控制方程,并应用伽辽金法及龙格库塔法对控制方程进行求解。在直流电作用下,得到了静力坍塌电压与损伤变量及特征尺度参数的关系;在交流电和直流电共同作用下,给出了动力坍塌电压的定义,并获得了动力坍塌电压与损伤变量及特征尺度参数的关系。算例表明尺度效应会增大微板的静动力坍塌电压,而损伤效应会减小微板的静动力坍塌电压。  基于冯卡门板理论、修正偶应力理论以及张量内变量损伤模型,采用最小势能原理建立了综合考虑尺度效应及损伤效应弹性微板非线性压屈平衡方程,并采用有限差分法及迭代法对方程进行求解。算例中采用卡恰洛夫损伤演化定律,讨论了特征尺度参数、外荷载以及初始挠度等因素对无损伤微板和含损伤微板后屈曲行为的影响。数值结果表明:随着时间的增长,由损伤引起的微板中点挠度不断变大;初始挠度对损伤的发展没有明显的影响,较大的荷载会加速损伤的发展,而特征尺度参数会减缓损伤的发展。  最后,基于冯卡门板理论、修正偶应力理论以及张量内变量损伤模型,采用哈密尔顿原理导出了综合考虑尺度效应及损伤效应弹性微板非线性运动控制方程,并应用伽辽金法及龙格库塔法对控制方程进行求解。在数值算例中研究了特征尺度参数及损伤变量对微板分岔和混沌的影响。
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