微纳米层合结构和屈曲结构的振动特性

论文摘要

随着微纳加工技术的迅猛发展,由各类型微纳米材料和结构组成的微纳机电系统已经被广泛应用于无线通讯、食品和药物检测、生物医学、航空航天、柔性可拉伸电子等前沿科学领域。但是,随着微纳米器件不断地小型化、集成化和多功能化,以结构振动为特征的微纳米传感系统面临着诸多发展问题。因此,本文讨论了微纳米层合结构和屈曲结构的振动特性以及其在质量、力等传感中的应用,建立了一套基于非局部理论的微纳米层合结构和屈曲结构的振动特性理论框架,考虑了小尺度效应、范德华力、几何非线性和多场（力、热、电和磁等）等因素对微纳米层合结构振动特性的影响,提出并完善了基于压缩屈曲组装技术的3D屈曲结构多模态振动和传感应用理论体系,并采用有限单元分析和实验方法验证了上述所建立3D屈曲结构振动理论体系。本论文研究的主要工作为:（1）基于非局部理论和Winkler地基模型建立了石墨烯聚合物层合结构模型,分析了热场作用下石墨烯在聚合物上的非线性振动频率问题,讨论了三层石墨烯结构在单轴磁场和可移动粒子作用下的非线性动态位移问题,揭示了小尺度效应、模型尺寸、温度、磁场、几何非线性、粒子质量和速度等因素对相应石墨烯层合结构的非线性振动频率和幅值的影响机理。（2）通过引入主动控制电压,分析了石墨烯压电层合结构在多种边界条件下的非线性振动特性,讨论了主动控制电压、小尺度效应、几何非线性、弹性层材料参数和模态数对石墨烯和压电层合结构非线性振动频率的影响。（3）建立了基于石墨烯压电层合结构振动特性的力传感和质量传感理论基础,研究了粒子质量、附加粒子数量、接触位置、移动力大小、小尺度效应、外加电压、移动速度和间隔性移动粒子等因素对接触质量和移动力作用下的石墨烯压电层合结构非线性振动频率和动态位移的影响规律。（4）基于非局部理论和拉格朗日（Lagrange）运动方程,建立了小尺度效应影响下的屈曲纳米带结构振动和质量传感控制方程,分析了小尺度效应对屈曲纳米带结构的一阶外平面振动频率、一阶内平面振动频率和一阶外平面振动频响带宽的影响,以及不同大小附加质量对屈曲纳米带结构一阶内平面振动和一阶外平面振动频率变化的影响。（5）通过理论,有限单元分析（FEA）和实验方法分析了基于压缩屈曲组装技术的3D屈曲结构线性和非线性振动特性,给出了屈曲带状结构的线性振动频率和振动模态解析解,并将上述建立的理论模型推广到一般性3D屈曲结构,提出了大压缩应变条件下基于两参数相似准则的3D屈曲结构振动频率公式。采用FEA方法计算了不同静态位移和振动位移条件下3D屈曲结构在几何非线性影响下的振动频率以及幅频特性曲线带宽。（6）基于Kelvin-Voigt粘弹性本构关系和拉格朗日运动方程,建立了屈曲带状结构的动态控制方程,获得了一阶外平面振动条件下无量纲频响带宽随压缩应变的关系表达式。通过上述建立的屈曲带状结构无量纲频响带宽理论,给出了适合分析一般性3D屈曲结构粘弹性振动特性的频响带宽两参数相似准则,并采用有限单元分析（FEA）验证了上述两参数相似准则的适用性。本文所建立的微纳米层合结构和屈曲结构振动特性理论框架可以为以微纳米层合结构和屈曲结构振动为特征的MEMS/NEMS传感器件设计与优化提供重要的理论基础和实际参考价值,从而引领MEMS/NEMS领域新的发展潮流。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景与意义
•   1.2 本课题研究现状
•     1.2.1 基于二维纳米材料的微纳米复合材料和结构
•     1.2.2 采用压缩屈曲技术制备的微纳米屈曲结构
•     1.2.3 微纳米结构的振动特性及传感研究
•     1.2.4 基于广义连续介质力学的非局部理论研究
•   1.3 本文主要研究工作
• 第2章 基于非局部理论的石墨烯层合结构非线性振动特性
•   2.1 引言
•   2.2 非局部理论基础
•   2.3 纳米材料及其结构的热效应和磁效应理论基础
•     2.3.1 纳米材料及其结构的热效应
•     2.3.2 纳米材料和结构的磁效应
•   2.4 热载荷作用下石墨烯在聚合物上的非线性振动分析
•     2.4.1 石墨烯在聚合物上的非线性振动控制方程
•     2.4.2 石墨烯在聚合物上的边界条件
•     2.4.3 基于全局残余谐波平衡法的求解方法
•     2.4.4 结果与讨论
•   2.5 磁场力和运动粒子作用下的多层石墨烯动态响应分析
•     2.5.1 多层石墨烯层间范德华作用力
•     2.5.2 磁场力和移动粒子作用下多层石墨烯的动态控制方程
•     2.5.3 基于改进微分求积法的求解方法
•     2.5.4 结果与讨论
•   2.6 本章小结
•   附录2-1
•   附录2-2
• 第3章 基于压电主动控制的石墨烯压电层合结构非线性振动特性
•   3.1 引言
•   3.2 石墨烯压电（GPG）对称结构的非线性振动特性
•     3.2.1 GPG对称结构的非线性振动控制方程
•     3.2.2 GPG对称结构的边界条件和求解方法
•     3.2.3 结果与讨论
•   3.3 石墨烯弹性压电（GEP）非对称结构的非线性振动特性
•     3.3.1 GEP非对称结构的非线性振动控制方程
•     3.3.2 GEP非对称结构的边界条件和求解方法
•     3.3.3 结果与讨论
•   3.4 本章小结
•   附录3-1
•   附录3-2
• 第4章 基于压电主动控制的石墨烯压电层合结构非线性振动传感特性
•   4.1 引言
•   4.2 基于石墨烯弹性压电（GEP）结构的质量传感理论基础
•     4.2.1 基于石墨烯弹性压电（GEP）结构的质量传感控制方程
•     4.2.2 边界条件和方程的求解
•     4.2.3 结果与讨论
•   4.3 基于石墨烯压电（GP）层合结构的力传感理论基础
•     4.3.1 基于石墨烯压电（GP）层合结构的力传感控制方程
•     4.3.2 边界条件和方程的求解
•     4.3.3 结果与讨论
•   4.4 本章小结
•   附录4-1
•   附录4-2
• 第5章 基于非局部理论的屈曲纳米带结构振动特性和质量传感
•   5.1 引言
•   5.2 屈曲纳米带结构的非局部振动控制方程
•   5.3 具有小尺度效应的屈曲纳米带结构振动特性
•     5.3.1 具有小尺度效应的一阶外平面振动频率
•     5.3.2 具有小尺度效应的一阶内平面振动频率
•     5.3.3 具有小尺度效应的屈曲纳米带结构频响带宽
•     5.3.4 结果与讨论
•   5.4 基于屈曲纳米带结构振动特性的质量传感控制方程
•   5.5 屈曲纳米带结构在吸附粒子后的不同阶频率变化规律
•     5.5.1 吸附粒子后的一阶外平面振动频率变化规律
•     5.5.2 吸附粒子后的一阶内平面振动频率变化规律
•     5.5.3 结果与讨论
•   5.6 本章小结
•   附录5-1
•   附录5-2
• 第6章 基于压缩屈曲组装技术的3D屈曲结构振动特性
•   6.1 引言
•   6.2 3D屈曲结构振动特性的理论基础与数值模拟技术
•     6.2.1 屈曲带状结构的振动特性理论基础
•     6.2.2 屈曲带状结构振动频率的求解
•     6.2.3 3D屈曲结构振动特性的仿真技术
•     6.2.4 模型的验证和参数分析
•   6.3 3D屈曲结构振动特性的相似准则
•     6.3.1 3D屈曲结构振动频率相似准则
•     6.3.2 基于两参数相似准则的3D螺旋屈曲结构振动特性
•     6.3.3 基于两参数相似准则的特殊3D屈曲结构振动特性
•   6.4 柔性基底对3D屈曲结构振动特性的影响
•     6.4.1 柔性基底对屈曲带状结构影响的FEA分析
•     6.4.2 柔性基底对一般性3D屈曲结构影响的两参数相似准则
•   6.5 基于压缩屈曲组装技术的3D屈曲结构非线性振动特性
•     6.5.1 振动位移对3D屈曲结构振动频率的影响
•     6.5.2 振动位移对3D屈曲结构频响带宽的影响
•   6.6 本章小结
•   附录6
• 第7章 考虑材料粘弹性效应的3D屈曲结构频响带宽相似准则
•   7.1 引言
•   7.2 考虑材料粘弹性效应的3D屈曲结构振动特性理论基础
•     7.2.1 基于Lagrange动力学方程的屈曲带状结构振动控制方程
•     7.2.2 屈曲带状结构的频响带宽
•     7.2.3 基于两参数相似准则的3D屈曲结构频响带宽
•   7.3 模型的验证和参数分析
•   7.4 本章小结
•   附录7
• 第8章 总结与展望
•   8.1 全文总结
•   8.2 本论文创新点
•   8.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李海波

导师: 王熙

关键词: 层合结构,屈曲结构,振动特性,非局部理论,非线性

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,无机化工,材料科学

单位: 上海交通大学

基金: 国家自然科学基金(No. 11172165,111732009),国家留学基金委(CSC),上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院优博培育基金

分类号: O327;TB383.1;TQ127.11

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.000622

总页数: 252

文件大小: 6652K

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