微型飞行器中的若干动力学问题研究

摘要

论文首先回顾了微型飞行器产生的背景、发展过程和目前的研究现状,较全面地分析了微型飞行器的基本特征、应用前景以及微型飞行器所涉及的关键技术,总结了微型飞行器中蕴涵的科学问题,阐明了微系统力学的研究对微系统技术和微型飞行器发展的重要意义.微型飞行器的飞行雷诺数和自然界中小型飞行动物(如小鸟、昆虫等)的相当.低雷诺数使得基于定常附着流理论得到的升力不足以平衡微型飞行器自身的重量.论文研究了动物和昆虫等生物的飞行方式和飞行机理,分析论证了微型飞行器在低雷诺数条件下采用扑翼飞行方式的可行性和必要性.同时通过对生物飞行随尺度变化规律的研究,得出了对微型飞行器采用扑翼设计布局具有价值的规律,导出了扑翼布局微型飞行器的尺度律.固体材料结构随着特征尺度减小表现出明显的尺度效应,当波长与材料微结构的特征尺度具有相同的数量级时,材料的微结构对波的传播有很大的影响.论文研究了微系统冲击动力失效及可靠性研究中的重要基础问题之一,应力波在梯度弹性介质中的行为,得到了考虑材料内部特征尺度时无限大体中的横波、纵波,一维杆中的纵波以及扭转波的相速度和波长的关系.作为微型飞行器关键器件之一的微加速度计,论文最后部分对其结构失效问题进行了实验与数值分析研究.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2微型飞行器的研究概况

1.2.1微型飞行器的由来

1.2.2微型飞行器的基本特征和应用前景

1.2.3微型飞行器技术研究现状

1.3微型飞行器中的关键技术

1.4微型飞行器、MEMS技术与微系统力学

1.5本文研究的焦点与内容简介

参考文献

第二章微型飞行器中的尺度律问题

2.1引言

2.2动物飞行的方式与微型飞行器的设计布局

2.2.1动物的飞行方式

2.2.2动物飞行的机制

2.2.3微型飞行器的布局

2.3生物飞行中的尺度律给微型飞行器设计的启示

2.3.1几何相似性

2.3.2翼展

2.3.3翼面积

2.3.4翼载荷

2.3.5展弦比

2.3.6扑翼频率

2.3.7飞行动物与微型飞行器的对比

2.4微型扑翼飞行器的尺度律

2.4.1流体动力学中的相似性

2.4.2微型飞行器扑翼飞行的量纲分析

2.4.3微型扑翼飞行器中的尺度律

2.5本章小结

参考文献

第三章冲击载荷下结构塑性应变率的尺度效应

3.1引言

3.2相似模型中若干力学量与尺度效应的关系

3.2.1应变和应力

3.2.2应力波速和加载速度

3.2.3应变率

3.2.4应变率敏感系数和应变强化的率敏感参数

3.3与应变率相关的几个典型例子

3.3.1膨胀环试验

3.3.2热塑剪切带和金属重结晶

3.3.3孔洞演化

3.3.4瞬动加载的固支梁

3.4两种考虑应变率的本构关系的讨论

3.4.1 COWPER-SYMONDS动态本构方程

3.4.2 JOHNSON-COOK动态本构方程

3.5数值分析算例

3.6本章小结

参考文献

第四章响应数在结构的动态塑性响应中的应用

4.1引言

4.2 Johnson损伤数的导出

4.3均布冲击载荷下的固支圆板

4.4均布冲击载荷下的固支矩形板

4.5受集中质量冲击的Parkes梁

4.5.1集中质量冲击下的固支梁

4.5.2集中质量冲击下的悬臂梁

4.5.3 Parkes问题结果的重新表述

4.6受集中质量冲击的长梁

4.7本章小结

参考文献

第五章梯度弹性介质中的应力波

5.1引言

5.2梯度弹性无限体中的平面波传播

5.3细杆中的纵波

5.4细杆中的扭转波

5.5问题讨论

5.6本章小结

参考文献

第六章微加速度计结构动载荷下失效与数值模拟分析

6.1引言

6.2微机械加速度传感器工作原理及制作

6.2.1微机械加速度传感器简介

6.2.2微机械加速度传感器基本工作原理

6.2.3微机械加速度传感器加工制作

6.3微机械加速度计结构的冲击实验

6.3.1微机械加速度计结构冲击实验

6.3.2微机械加速度计结构冲击实验的结果与现象

6.4微机械加速度计结构冲击载荷下的失效及数值分析

6.4.1微机械加速度计结构冲击载荷下的失效

6.4.2微机械加速度计结构冲击载荷下的数值分析

6.5本章小结

参考文献

第七章全文总结与展望

7.1全文工作总结

7.2今后工作展望

致谢

攻读博士学位期间发表的论文

附录一

附录二英文缩略词对照表