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静电驱动是微机电系统(MEMS)中最重要的驱动方法之一,应用极为广泛。由于静电力固有的非线性、微尺度下的压模阻尼等非线性因素的存在,静电驱动微机电系统表现了非常丰富的非线性动力学行为。深入研究静电驱动微机电系统的动力学特性具有很高的学术意义和工程实际价值。本出站报告研究了静电驱动微悬臂梁动力学分析的若干方法,具体包括:
非线性静电力具有复杂的表达式,学者们提出了一种将复杂表达式展开为Taylor级数的简化处理方法。本文探讨了用这种方法简化静电驱动微悬臂梁非线性振动方程的有效性和合理性。研究表明,若级数展开式只保留二阶项,简化系统和原系统无论是定性性质还是定量描述都存在很大的差别。指出了采用此方法时需要注意的若干问题。
提出了一种迭代方法,获得了系统的高精度解,并分析了参数对系统响应的影响规律。频响曲线表明,振幅随静电力激励频率的减小而增大。该方法不需要给出迭代初始值,也无需消去久期项,因而非常适合编程计算。理论上,只要迭代序列收敛,该方法可给出致任意精度的解。
通过构造一个新的辅助线性算子,改进了同伦分析法,获得了静电驱动非线性微悬臂梁振动方程的高精度解。和现有求解非线性振动问题的同伦分析法相比,改进方法所有形变方程都是线性的,而且无需消去久期项。
在频率域内展开复杂非线性是一个非常困难的问题,也是制约非线性振动分析频域方法的一个瓶颈。考虑到时域法和频域法的优点,提出了一种简单的处理方法,可高效地将复杂非线性展开为截断的Fourier级数。算例表明,结合这种展开法和迭代法,可求解含复杂非线性环节的静电驱动微悬臂梁动力学系统。
基于复杂非线性环节的Fourier级数展开法,采用增量谐波平衡法求解了静电驱动微梁非线性振动方程。根据获得的高精度解,采用Floquet理论分析了系统的分岔特性。研究表明,系统存在大量的高阶次谐波响应;另外,系统存在分别源于周期1解或周期3解的倍分岔通往混沌的过程。
以上所提方法不仅可为静电驱动微结构系统提供求解方法和分析工具,同时也是其它微机电系统非线性动力学分析的有益参考。