静电微梁器件的适应性降阶模型研究

来源 :福州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:janmey2007
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MEMS的多物理场耦合特性增加了其仿真计算难度。特别是在优化设计过程中,需要多次重分析以寻求最优解,计算量非常庞大。构造器件的降阶模型(Reduced Order Model,ROM),能够以足够的计算精度,准确地模拟器件的静、动力学特性,同时大幅地降低计算仿真时间。但是,现有ROM的研究主要针对确定参数的系统,ROM的精度存在局部特性,即,当器件的参数值与构造该ROM时的参数值发生较大偏离时,ROM的仿真精度会迅速降低。因而,还无法应用于探寻器件参数设计空间的优化过程。本文旨在研究自适应参数化ROM的构造方法,用于器件的优化设计。论文以MEMS静电微梁器件为对象,研究了基于微梁无阻尼振型和基于本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)获得基函数集合,结合 Galerkin 映射构造器件ROM的参数适应性问题。对于矩形截面的直梁微器件,利用无阻尼振型模态函数解析式构造器件的参数化ROM,能够适应不同载荷条件、几何参数的改变,准确地反映出静电微梁器件由于参数变化而随之带来的动态特性的变化。在此基础上,提出了变截面微梁器件的参数化ROM构造方法,研究了宽度参数的变化对微梁器件的Pull-in特性及固有频率的影响。现有基于POD的ROM构造技术能够对涉及流场强耦合的静电微梁器件系统进行仿真计算,但ROM的构造依托于数据快照技术,其适应性较差。论文在研究了POD-ROM对载荷方式、大小以及器件几何参数发生改变的适应性问题基础上,提出了利用Taylor级数近似和POD模态灵敏度信息更新ROM的基函数集合,构建适应性POD-ROM的方法。以微梁的几何尺寸为参数变量,对其进行动力学仿真,考察适应性ROM的仿真计算效果,结果表明,当微梁的长度减小20%或增大20%时,适应性ROM的仿真误差约为4.5%左右,远小于初始ROM的20%;厚度增加25%时,适应性ROM的仿真误差约为5.5%,远小于初始ROM的18.2%,适当减小参数变化的范围,适应性ROM的仿真精度还能进一步提高,可以将其用于微梁器件的优化设计过程。
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