当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

设计和制造的数值模拟与仿真


菱形放大结构静态性能分析
Research of static performance with a Diamond Amplifying Structure

学科专业 课程名称 作者姓名 作者学号 指导教师

机械工程 设计和制造的数值模拟与仿真 程习康 153711006 湛利华教授

中南大学 二〇一五

年十二月

菱形放大结构静态性能分析
摘要:微电子封装过程中的元器件是通过胶液与基板连接成一体,胶 点的大小、一致性等对电子产品的性能有很大影响,目前喷射式点胶 技术能够喷射纳升级的微小胶点而且工作效率高, 因此应用前景十分 广阔。本文对一种喷射点胶技术中的菱形放大结构进行仿真分析。 其中包含对菱形放大结构进行理论分析,分析其位移放大倍数; 利用 ANSYS 对放大结构的静态性能进行分析。 关键词:喷射点胶;压电陶瓷;菱形放大结构;静态特性

Research of static performance with a Diamond Amplifying Structure
Abstract: The components used in microelectronic packaging process are connected to the substrate by glue. The volume and consistency of the glue dots are critical rules to the performance of the productions. The jet dispensing technology has tremendous prospects for its ability to dispense nano flow dots with high production efficiency. In this paper a kind of jetting technology in diamond amplification structure simulation analysis. we analyzed the diamond amplifier by analytical method and then analyzed the factors affecting the displacement by ANSYS. Keywords:Jetting dispensing, Piezoelectric stack, Diamond amplifier, Static characteristics.

1

1 菱形位移放大结构理论分析
1.1 位移放大结构工作原理 压电陶瓷通电伸长产生横向的位移,菱形壳发生弹性形变,将横向位移转成 竖直方向的放大位移; 断电后压电陶瓷迅速恢复原长,菱形外壳在弹性力作用下 恢复原形,产生向上的位移,如图 1-1 所示。周期性的充放电则可以实现整个结 构的上下往复运动。

激励电压 U 升高激励电压 U 降低 图 1-1 菱形放大结构的工作原理图

1.2 菱形放大结构线性模型 (1)菱形放大结构的几何放大关系 菱形放大结构可以认为是一个单自由度弹性系统,为了简化分析,我们做出 以下假设: (1) 将其简化成 8 根杆和 8 个柔性转角; (2) 所有杆都是刚性的杆件, 工作时不会发生弹性形变; (3)由于这是对称结构,上、下杆长度和转角都是一 样的。如图 1-2 所示,菱形放大结构变形前、后分别为实线和虚线所示。 压电陶瓷的横向输出位移和菱形位移放大结构竖直方向的输出位移的关系 式如下:

? ?a

2

? b2 ? cos? ? ?s / 2 ?
2

? ? ?a

2

? b2 ? sin ? ? H ? a 2 ? b2
2

?

(1-1)

实际情况中, a 2 ? b2 ?? ?S 时,因此式(1-1)可以简化成:
H? cos? 1 ?S ? ?S cot? 2 1/ 2 2(1 ? cos ? ) 2 ( 1 - 2)

所以菱形位移放大结构的放大倍数: 2H N? ? cot ? (1-3) ?S 由此可知,放大结构的放大倍数主要取决于角,越小,则放大倍数越大,为 了取得较大的放大倍数可以采用较小的角。
2

图 1-2 菱形结构变形图

(2)菱形放大结构位移输入输出线性模型 菱形位移放大结构关于中心对称,所以可取其四分之一的结构来分析。图 1-3 是菱形位移放大结构的受力示意图,图 1-4 是放大结构四分之一的几何变形 图。将放大结构等效成刚杆 AB 和 2 个扭转弹簧。压电陶瓷处于自由状态下,施 加大小为 V 的电压,其输出的位移为,其中是压电应变常数。 压电陶瓷装配至菱形位移放大结构,给压电陶瓷施加激励电压,压电叠堆输 出位移和力, 放大结构给压电陶瓷反作用力,放大结构在竖直方向产生位移和输 出力,如图 1-3 所示。以四分之一放大结构分析时,受力如图 1-4 所示,作用于 A 点简化成力偶和力。力偶: F F M ? PZT( a 2 ? b2) sin ?1 ? h ( a 2 ? b2) cos ?1 4 4

(1-4)

图 1-3 菱形放大结构受力图

图 1-4 杆受力图
3

根据能量守恒定理,外力所做的功和 A、B 之间势能的增加量相等,所以: FPZT FH 1 1 ?S ? h ? 2 M?? ? K? 1 ( ?? )2 ? K? 2 ( ?? ) 2 (1-5) 4 2 2 2 ; K? 1、K? 2 分别为 A、B 两点扭转弹簧刚度系数; 变形前、后位移几何条件: N?S ?H ? ( a 2 ? b2)?S 2 式中 N 为放大倍数。 的关系式:
?S ? K vV ? FPZT KP Kp 为压电堆等效刚度。

(1-6)

根据压电陶瓷的本构方程可以得到压电堆受的电压、 输出位移和输出力之间 (1-7)

将式(1-5) 、 (1-6)和( 1-7)联立,求出菱形位移放大结构的输出位移: 2 KP L1 NKvV 2H ? (1-8) 2 ( K? 1 ? K? 2 ) N 2 ? 2 KP L1 ( Fh N ? 1) 当菱形放大结构不输出力时,式 1-9 可以简化为 2 KP L1 NKvV 2H ? ? KV 2 ( K? 1 ? K? 2 ) N 2 ? 2 KP L1 式中。 K ? K v /( 系。

(1-9)

( K? 1 ? K? 2 ) N 1 ? ) 结果表明,输出位移与输入电压成线性关 2 N 2 K P L1

2 菱形放大结构静态性能仿真分析
上述的解析法只考虑了放大结构的刚性变形, 并没有考虑到放大结构的铰链 的弯曲变形和本身的弹性变形。 为了获得更精确的分析结果,需要对放大结构进 行有限元仿真分析。 2.1 影响菱形放大结构位移因素仿真分析

图 2-1 菱形放大结构实体模型图
4

图 2-2 菱形放大结构网格划分图

位移仿真的具体流程如下: (1)建立模型:在三维绘图软件 PROE 中建立放 大结构的实体模型并导入 Ansys 中,图形如所示 2-1。为了简化计算,建模时把 放大结构中的安装孔、 圆角等不重要的影响因素忽略) ; (2) 设定参数, 见表 2-1; (3)划分网格:用 ANASYS 的 smartsize 对整个模型进行网格划分,由于在铰 链处半径很小小存在应力集中的现象,所以在四个铰链处的网格细化,如图 2-2 所示; (4)设置边界条件并进行求解:给放大结构的上端面施加固定全约束,在 水平方向施加位移; (5)在后处理中查看位移、应力等结果,如图 2-3 所示;
表 2-1 弹簧钢参数

参数 值

弹性模量(GPa) 210

泊松比 0.3

密度(kg/m3) 7.83×103

(a)竖直方向位移云图 (b)横向位移云图 图 2-3 菱形放大结构位移分布图

影响放大结构输出位移的参数: 柔性铰链的角度 α, 柔性铰链的圆弧半径 R, 铰链的宽度 D 和铰链的最小厚度 T,如图 2-4 所示。菱形放大结构中 α 取 7°, R 取 0.5mm,D 取 10mm,T 取 1.2mm。本文通过改变放大结构模型的各个参数, 利用分析计算其输出位移,做出影响关系的曲线,并进行对比、归纳、总结。

图 2-4 图菱形放大结构的结构图

(1)柔性铰链角度α 对输出位移影响 由解析法可知, 柔性铰链角度对放大结构的位移放大倍数有很大的影响,角 度减小其放大倍数反而增大,α 趋近于零时,位移放大倍数趋近于无穷大。有限
5

元分析结果如图 2-5 所示,线的斜率为放大倍数,角度大于 3°时位移放大倍数 随着角度变小而增大;当角度 α 减小至 3°以下,其放大倍数不是一直随着角度 减小而增大,如在 α 为 2°时其输出位移要比 3°时的位移小。分析当α 角度过 小时, 放大结构的变形将会变得很小, 所以不能通过过小的角度 α 来获取非常大 的输出位移。同时由图可知,放大结构的输入位移和输出位移呈现线性关系,这 对实际操作中控制其喷针的行程是十分有利的。

图 2-5 柔性铰链角度α—位移曲线图

(2)柔性铰链最小厚度 T 对输出位移影响 图 2-6 是通过改变柔性铰链的最小厚度 T,得到的位移曲线。这表明厚度 T 变小, 其输出位移会不断的增加。由于喷射阀工作过程中喷针与喷嘴撞击会对放 大结构产生冲击, 所以放大结构要有合适的刚度,本文中所采用的放大结构柔性 铰链最小厚度取 1.2mm。

6

图 2-6 铰链最小厚度 T—位移曲线图

(3)柔性铰链宽度 B 对输出位移影响 图 2-7 铰链宽度对放大结构的输出位移曲线表明: 铰链的厚度对其输出位移 影响很小。但铰链宽度度越大,整个放大结构的刚度和质量会增大,质量过大时 严重影响整个喷射阀的运动性能;金属外壳的刚度也会增大,压电陶瓷输出位移 也会减小。本文所采用的放大结构铰链宽度 D 为 10mm。

图 2-7 铰链宽度—位移

(4)柔性铰链半径 R 对输出位移影响

7

图 2-8 铰链半径—位移

从铰链半径—输出位移曲线(图 2-8)可以看出输出位移随着铰链半径减小 而增大,但是铰链半径小于 0.5mm 时,输出位移变化值不大,但是半径过小会 导致铰链处的最大应力急剧增大,所以 0.5mm 为一个最优值。 改变菱形放大结构的各个参数,用有限元分析软件分析其对输出位移的影 响,可以得出下面的结论: (1)α 角大于 3°时,角度再减小,位移放大倍数会 增大;但 α 小于 3°时,角度继续减小其输出位移也随之减小; (2)铰链处的最 小厚度 T 与位移放大倍数呈负相关; (3)宽度对位移放大倍数影响不是很大,可 以忽略不计, 但是宽度增大其刚度也会增大, 相应的压电陶瓷的位移会变小; (4) 柔性铰链半径取 0.5mm 为一个最优值。 2.2 菱形放大结构最大应力分析

图 2-9 菱形放大结构等效应力分布图

菱形放大结构的铰链处比较薄,会产生应力集中的现象,应力过大时放大结 构容易损坏,最大应力要应小于材料的弹性许应力。如图 2-9 所示,放大结构的 最大应力为 212MPa,小于弹簧刚度许应力 432MPa,可以满足使用要求。
8

3 小结
本文首先对位移放大结构工作原理进行分析, 采用伪刚度建模法和弹性梁模 型分析法进行几何力学分析,然后用 ANSYS 对影响放大结构工作性能的因素进 行仿真分析,得到了菱形放大结构外壳对其位移放大倍数的影响。

4 参考文献
[1] ANSYS 14.0 理论解析与工程应用实例[M].机械工业出版社,2013. [2] 关晓丹 , 梁万雷 . 微电子封装技术及发展趋势综述 [J]. 北华航天工业学院学 报,2013,01:34-37. [3]孙道恒,高俊川,杜江,江毅文,陶巍,王凌云.微电子封装点胶技术的研究进展[J]. 中国机械工程,2011,20:2513-2519. [4] 李士会胶液喷射器内胶液流动的三维数值仿真与喷射器结构参数设计长沙 , 中南大学,2006。 [5]北京兆迪科技有限公司.Ansys Workbench 14.0 结构分析,电子工业出版社, 2014. [6]张福学,王丽坤. 现代压电学[M]. 2002. [7]张福学主编.现代压电学[M].科学出版社, 2001 [8] 程 院 莲 , 鲍 鸿 , 李 军 , 李 小 亚 . 压 电 陶 瓷 应 用 研 究 进 展 [J]. 中 国 测 试 技 术,2005,02:12-14. [9]程光明,沈传亮, 杨志刚.压电驱动型电液伺服阀前置级驱动器实验研究[J].西安 交通大学学报,2004.01. [10] Chunhui Yang, Pingan Liu. Finite element analysis of arc flexible hinge stress[C]. Toronto, International Symposium on Instrumentation and Measurement, Sensor Network and Automation, 2013.978-981.

9


相关文章:
材料设计中的数值模拟与计算1
改进制造生产工艺, 以获得特定的组织来保证材料的性质符合预定 的要求;材料的相...模拟设计一般有物理模拟和数值模拟; 经验设计可分为半经验设计和传统设计等。 材料...
基于MATLAB的数字模拟仿真
基于MATLAB 的数字模拟仿真摘 要:本文阐述了计算机模拟仿真在解决实际问题时的...技术指标确定、 设计分析、生产制造、试验测试、维护训练、故障处理等各个阶段。...
数值模拟 计算机仿真 有限元分析
数值模拟技术在保证工件质量,减少材 料消耗,提高生产效率,缩短试制周期等方面...可应用于铸造部件设计的开发,最佳工艺方案的 优化,缩孔、缩松模拟,钢水充型...
材料成型数值模拟设计实验
材料成型数值模拟设计实验 材料学院 成型 1001 班 ...二、 实验原理 DEFORM 是一套基于有限元的工艺仿真...它包含了最新的有限元分析技术, 既适用于生产设计,...
浅析有限元数值模拟技术在结构设计中的应用
浅析有限元数值模拟技术在结构设计中的应用_机械/仪表_工程科技_专业资料。龙源...的建筑结构模型试验活动,对此,造 成了大型的模拟仿真技术对结构设计领有着非常...
铸造数值模拟仿真报告
,或者铝合金,我们做模拟时就采用更便宜、更轻的镁合金并采 用压铸工艺生产。...浇注系 统工艺设计、 计算机三维制图以及 Anycasting 的简单模拟仿真操作, 这种...
数值模拟
《工程地质数值模拟的理论方法》课程学习报告解决岩土力学问题的方法主要有实验...在模拟特地斯环球流动的路径中制造了最基本的和从生物学上来说最重要的沿非洲海...
数值模拟方法
数值模拟方法的应用对象分为三个层次 1)宏观层次:常见的工程建筑、制造设备、零件等; 2)界观层次: 材料的微观组织性能, 如金属材料的晶粒度影响其屈服强度; ...
数值模拟
数值模拟_数学_自然科学_专业资料。“ 面状补给 ” 模块包 Recharge(RCH) - ...(不同应力期可以不同) 几种软件关系 前处理软件-协助自动或半自动制作数 据...
数值模拟
采矿工程数值模拟 分析报告 学院:资源安全工程学院 班级:硕 13-3 班 姓名:...矿井地质储量 16.83 亿吨,可采储量 5.1 亿吨,设计生产能力 600 万吨/年,...
更多相关标签:
数值模拟仿真 | 数值模拟与仿真 | 数值仿真和模拟仿真 | 工厂设计模拟仿真软件 | 模拟交通灯设计与仿真 | 工厂设计模拟仿真 | 数值仿真 | matlab数值仿真 |