微机械动力学的现况

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

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　　关键词：机械动力学;分子动力学;微机械

　　机械动力学是一门研究运动与力相关规律的科学[1]，纳米技术作为21世纪科技发展的前沿，将纳米技术与机械动力学结合起来，在上世纪中期，R.P.Feynman提出了微机械的概念[2]。微机械是基于现代科学的一门综合性交叉学科，根据结构尺寸，微机械可分为微小机械、微机械、纳米机械3种类型，一般而言，将尺寸为10μm~1mm称为微机械。微机械因为其体积、质量、惯性都比较小，并且耗能较低等特点，在国防、航空、军事、工业等方面有较大的应用前景[3]。

　　1微机械的研究现状

　　1970年，美国斯坦福大学率先开展微机械方面的研究，取得了一定的进展。随后，欧美等发达国家相继把微机械列入重要发展领域。经过几十年的飞速发展，国内外在微机械相关领域取得了较多的成果，尤其在各类电子元件领域的精密加工和工艺方面，如光刻电铸加工、能束加工和特种精密加工等取得了较多的成果。目前，美国和日本在微机械领域发展较为迅速;其中美国相关科研院所研制出一系列微米级的机构，如20μm×150μm的绞链连杆机构，210μm×100μm的滑块机构，转子直径200μm的静电电机和流量为20ml/min的液体泵;直径为60μm的静电电机，直径为50μm的旋转开关，以及齿轮驱动的滑块和灵敏弹簧;直径为400μm的齿轮;三自由度闭环平面机构操作器等。日本相关科研机构开发的多种压电陶瓷驱动器的微机构以及微型机器人，其精度可达微米级。我国微机械研究起步较晚，但在“21世纪制造科学”研讨会上，微机械被确定为优先发展的5个领域之一，尤其是近些年，国家加大了对微机械领域的研究，因此也已取得了一些成果。其中比较有代表的是广东工业大学研制出微米级三自由度微机器人。哈尔滨工业大学研制电致伸缩陶瓷驱动的二自由度微机器人;中国科学院上海光学与精密机械研究所研制出直径为400μm的多晶硅齿轮、气动涡轮和微静电电机[4-5]。武汉大学通过对电容式微机械超声阵列进行了尺寸和结构优化，得到了较好的结果[6]。北京信息科技大学设计了基于微机械摆的全方位倾角传感器，在理想情况下，可以实现±90°范围的倾角检测[7]。

　　2微机械动力学的研究内容

　　微机械动力学是研究微观状态下机械系统的动态行为的学科，是机械系统的数学模型、仿真分析、受力后的动力学分析、控制、运行状态等方面的研究。是结合纳米力学、材料学、固体物理学、机械原理、机械设计等多学科交叉的一门学科。微机械动力学是微机械研究的基础，主要在以下几个方面进行研究[8]：(1)微机械系统中微构件材料的本构关系，由于微机械中，有大量的机构是微米或纳米级别的尺寸，因此从传统的宏观机械研究构建的形变方式，刚度和阻尼就显得局限。将这些宏观的机械研究方法应用到量子力学、纳米力学等理论范畴，研究微机械微构建中材料与构件的本构关系，是微机械动力学中重要的研究方向之一。(2)从微观的角度去考虑微机械中的构件受力时的力场和势场的特殊性，不能仅仅沿用宏观的机械系统分析，由于微观状态下，其力的作用更为敏感，因此要考虑其微米级的构件尺寸导致的特殊性引起的力的变化。(3)微机械系统中，由于其达到微米甚至纳米级别，因此其动力学特性会受到多物理场耦合的干扰，因此研究的时候需要定性定量地分析其多物理场耦合的影响。(4)分子动力学的模拟也是微机械动力学中的一个方向，由于分子动力学的建模相对简单，模拟的结果也较为准确，因此可以从分子动力学模拟的角度去研究微机械的动力学特性，进行相关的设计和仿真的研究[9]。

　　3微机械动力学常用的研究方法

　　动力学分析就是通过机械系统进行力学分析，得出数学模型，并模拟出结果的过程。由于微机械不同于宏观的机械系统，其建模和分析过程中，会用到大量的微分方程，阶次往往较高，因此计算困难且耗时。一般的研究思路都是寻求降阶或降维的方法，以低阶或低维系统去代替原来的高维高阶系统。可以通过投影法降维，一般有基于奇异值分解，基于krylov次空间和两者相结合的方法进行降维处理。目前应用较多的是基于krylov次空间的降维方法，其思想是利用泰勒级数展开进行降维。相应的也衍生了类似pade近似、Lancos等扩展降维方法。由于计算机科学技术的发展，有限元和边界元也广泛应用在微机械系统的动力学中，通过对其进行相应的网格划分，可以较好地分析微机械系统的动力学相关研究，尤其是多物理场耦合的微机械系统，利用有限元和边界元能更好地解决问题。相关的软件也已经商业化，如ANSYS、FEMLAB、CoventorWare等[10]。通过电学模拟，也可以将微机械动力学行为等效为相应的电学模型，利用电学模型代替复杂的动力学模型，然后进行相应的设计与仿真，也可以得到微机械的相近的动力学特性[11]。

　　4微机械动力学存在问题

　　由于微机械动力学的建模阶次和维数较高，因此需要降维处理，但这类方法主要应用于线性系统中。而非线性系统问题，还有待解决。有限元等方法在多物理场耦合的相关研究中，由于其网格划分的不同，各种物理场耦合等交叉影响，因此对其动力学特性的描述还不够准确，因此还需要深入研究。

　　5结束语

　　微机械动力学的研究已经取得了一定的进展，但仍然具有较大的研究空间，涉及纳米力学、摩擦学、物理学、机械原理、机械系统动力学、电子工程等领域的交叉。在宏观机械动力学的基础上，结合微观分子或原子的理论，研究其各个构件中的动力学行为，是微机械发展的基础。其中多物理场耦合和非线性方面的研究是未来研究的重点。

　　作者：吴利平 钱靖 单位：四川化工职业技术学院 天津中车四方轨道车辆有限公司