MEMS微转子系统非线性动力学若干问题研究

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微机电系统(Micro Electro Mechical System,以下简写为MEMS)技术的成功促进了微电机、动力MEMS等微旋转机械的长足发展,近年来,微旋转机械一直是MEMS研究中的热点。随着现代科学技术的不断进步,微旋转机械的设计正日益向着高转速、轻型化方向发展。与此同时,对微旋转机械的动力学特性、稳定性以及可靠性也提出了更高的要求。MEMS微转子系统由于其尺寸非常小,表面积与体积之比变大,表面效应突出,相对一般转子系统来说,表面效果将代替体积效果起支配作用,并且对微转子动力特性影响较大。MEMS微转子系统超高速运转时,摩擦磨损问题在系统中表现的尤为突出,严重的会导致微机构完全失效。因此,最大限度的降低摩擦磨损乃至实现无磨损条件,是保证MEMS微转子器件功能和使用寿命的关键。气浮轴承是利用气体作为运动副润滑的一种新型轴承,由于气体的粘度小,与其它轴承相比,具有低摩擦、无磨损、无污染、运转平稳、回转精度高和轴承的精度保持好等特点,在高速旋转机械中具有很大的优越性、经济性和实用性,在国防、兵工及动力等行业正得到日益广泛的应用。   本文应用现代非线性理论分析了MEMS微转子系统的复杂非线性动力学行为。首先建立了碰摩微转子系统的碰摩力模型和系统微分方程,在原系统无量纲模型的基础上,采用Lyapunov第一方法,分析了系统在平衡点的稳定性。其次,采用四阶龙格库塔法对系统的微分方程进行求解,数值模拟出了系统的分岔图、相图、Poincare映射图、幅值谱图和时间历程图,并分析了系统的运动形态,结果表明系统中存在丰富的周期运动和混沌运动的复杂非线性现象。第三,建立了微气体轴承的动力学模型,利用同样的方法对系统的非线性动力学行为进行了详细的分析,作出了系统关于各参数的数值模拟图。研究结果表明:系统在一定的参数区间存在倍周期分岔、阵发性混沌等非线性现象,且系统产生混沌对应很大的参数空间。最后,总结了本文所做的主要工作,同时指出存在的问题以及今后工作的发展趋势。
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