2013《MEMSCAD》课程结业试题.doc

平时上课出勤及表现（20%）实验课出勤/实验结果检查/实验报告/期中测试（40%）课程结业试题理论/设计/总结报告（40%）课程最终成绩上面表格为该课程最终成绩记入方法。2012/2013学年 第2学期MEMS CAD课程结业试题学 院： 电子与计算机科学技术学院 班级及学号： 姓 名： 本结业试题包括：一、理论部分；二、综合设计实验部分；三、本课程主要内容总结报告。理论试题部分（40分）综合设计实验仿真部分（40分）课程总结报告（20分）总分提交截止时间：2013年5月20日中午12：00点。任课教师： 2011-5-1012实验一：高量程加速度传感器的设计与仿真 （a）正视图 （b）俯视图图1 高量程加速度传感器结构图2 结构截面图及参数说明题意：上图为一高g值加速度传感器结构示意图，四端固支梁岛结构截面图如图2所示，各结构参数定义如下：梁长； 梁宽； 梁厚； KOH腐蚀深度；KOH腐蚀形成与的夹角，；质量块长/宽； 质量块厚H，；质量块下表面边长s，；梁质量块边框长度（a1）宽度（a2）厚度（h1）顶部长度/宽度（a2）底部长度/宽度（s）厚度（H）顶部宽度（c1）底部宽度（c2）结构整体长度/宽度尺寸（m）60010508010505983958005773850单晶硅的材料参数 参数（Kg/um3）EX（N*um-2）PRXY硅233*10-151.7*1050.3求解：1）建立高g值传感器模型； -（10分）2）对模型加载边界条件全约束和150000g的加速度，然后进行ANSYS求解分析，查看结构各部分的受力状况； -（10分）3）求解六阶模态，并在word文档中保存其前六阶模态云图； -（10分）4）采用完全法对高g值加速度传感器模型进行瞬态分析。在结构敏感方向上（Z方向）加载一个持续时间为20s的冲击加速度，值为200000g。将载荷分为50个子步，画出其敏感质量块端部的最大位移曲线。 -（10分）实验步骤：1.定义工作名、工作标题、过滤参数1) 定义工作名：Utility menu File Jobname输入gaoliangchengjiasuduchuanganqi2) 工作标题：Utility menu File Change Title输入0806024202 lixiaofeng2.选择单元类型Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/DeleteStructural Solid brick 8node45单击OK3.设置材料属性1) 定义材料的弹性模量EX，Main MenuPreprocessorMaterialProps MaterialModelsStructuralLinearElasticIsotropic，弹性模量EX1.7E-7，泊松比 PRXY0.32) 定义材料的密度DENS，Main MenuPreprocessor Material Props Material Modelsdensity ，DENS =2.33E34.建立模型1) 创建关键点：Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CSNPTXYZNPTXYZ1-299E-6299E-6315E-69-1125E-61125E-602299E-6-299E-6315E-6101125E-61125E-603299E-6-299E-6315E-6111125E-6-1125E-604-299E-6299E-6315E-612-1125E-6-1125E-605-525E-6-525E-6013-1348E-6-1348E-6315E-66-525E-6525E-6014-1348E-61348E-6315E-67525E-6525E-60151348E-61348E-6315E-68525E-6-525E-60161348E-6-1348E-6315E-62) 点生成体Main MenuPreprocessorModelingCreate Volumes ArbitraryThrough Kps，选择点1-8生成体，点击apply，选择9-16点，生成体3) 建立长方体Main Menu Preprocessor Modeling Create Volumes Block By Dimension ，x1=-1925e-6；x2=-1925e-6，y1=-1925e-6；y2=-1925e-6z1=-80e-6；z2=315e-64) Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Subtract Volumes首先拾取长方体，点击Apply，然后拾取减去的916点生成体，点击OK。5) 建立四个小长方体Main Menu Preprocessor Modeling Create Volumes Block By Dimension ，x1=525e-6；x2=1125e-6，y1=525e-6；y2=1125e-6z1=-80e-6；z2=0，坐标相互对称6) Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Subtract Volumes首先拾取整体，点击Apply，然后拾取减去的四个小长方体，点击OK。如图17) Main Menu PreprocessorModelingOperateBooleansAddVolumes , Pick All8) 建立凹槽a.建立关键点Main MenuPreprocessorModelingCreateKeypointsIn Active CS，NPT=60(-223E-6，223E-6，315E-6), NPT=61(223E-6，223E-6，315E-6), NPT=62(223E-6，-223E-6，315E-6), NPT=63(-223E-6，-223E-6，315E-6)NPT=64(0，0，0)b.生成面：Main Menu Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary By Lines,生成五个面，c.Main Menu Preprocessor Modeling Create Volumes Arbitrary By Aread.Main Menu Preprocessor Modeling Operate Booleans Subtract Volumes首先拾取质量块，点击Apply，然后拾取减去的凹槽，点击OK。结果如图2图1 挖去四个长方体 图2 挖去凹槽后5.划分网络：Main MenuPreprocessorMesh Tool.1) 将智能网格划分器（ Smart Sizing ）设定为 “on”2) 将滑动码设置为 “6” (也可将其设置为“5”或更小值来获得更密的网格)3) 确认Mesh Tool的各项为: Volumes, Tet, Free4) MESHPick All（如果在网格划分过程中出现任何信息，拾取 “OK” 或 “Close”5) 关闭 Mesh Tool结果如图36.静力学分析1) 指定分析类型及分析选项 aMain Menu Solution New AnalysisStaticbMain Menu Solution Soln Controls，单击标签“Basic”，在Calculate Prestress effects选项前打“”。打开预应力选项。单击OK2）施加位移约束MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas,约束边框四个面的自由度。3）施加集中力载荷：MainMenuSolutionDefineLoadsApplyInertiaGravityGlobal在ACELZ Global Cartesian Z-comp中输入-1500000点击OK4）求解：单击菜单Main Menu-Solution-Solve-Current LS。5）观察解得的静力分析结果，结果如图4a. Main Menu General Postproc Read Results First Set， b.MainMenuGeneral PostprocPlot ResultsNodal SoluDOFDisplacement vector sum 图3 自由式网格划分图 图4 静力学分析图7.进行模态分析1） 指定分析选项 ，Main Menu Solution Analysis Type New AnalysisModal2）施加位移约束MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas,约束边框周围的四个面的自由度。3) 分析选型设定，Main Menu Solution Analysis Type Analysis Options在弹出对话框中，指定Mode extraction method (模态提取方法)为Block Lanczos (块兰索斯法)，并指定No. of modes extract (提取模态的阶数)为6 ,将Expand mode shapes (模态扩展)设置为“YES”,在No. of modes to expand (模态扩展阶数)文本框中输入6。将Incl prestress effects (预应力效应)设置为“YES”，单击ok按钮，将会弹出Block Lanczos Method (兰索斯法模态分析选项)对话框，指定的值为：Start Freq (开始频率)是0，End Frequency (结束频率)是9999999999。单击ok按钮 4）进行求解 Main MenuSolutionCurrent LS 5）观察解得的模态a. Main Menu General Postproc Read Results First Set， b. Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsNodal SoluDOFDisplacement vector sumc. Main MenuGeneral PostprocRead ResultsNext Set，选第二阶模态。 d. Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsNodal SoluDOFDisplacement vector sumf.对余下的各阶模态重复步骤cd，观察所求解的各阶模态的振型图5一阶模态分析图 图6 二阶模态分析图 图7 三阶模态分析图 图8 四阶模态分析图 图9 五阶模态分析图 图10 六阶模态分析图1. 进行瞬态分析1） 从网格划分开始2）指定分析类型及分析选项Main Menu Solution New AnalysisTransient点击OK，在弹出窗口中TRNOPT中选择full点击OK。3)施加位移约束MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas,约束边框周围的四个面的自由度4)定义时间段MainMenuSolutionload stepTime/FrequencTime-Time step输入TIME=0.01e-6，KBC选择Stepped，点击OK.5)施加集中力载荷：MainMenuSolutionDefineLoadsApply Structuralintertiagravitygloabe,输入ACELZ=2000000，点击OK，6)求解：单击菜单Main Menu-Solution-Solve-Current LS。7） 重复第4,5,6步，输入 TIME=2e-6，DELTIM=0.4e-6, 点击OK，在Z轴方向施加力为200000，点击OK；每间隔2e-6us选一个数值，直到TIME=2e-5。8) Main Menu TimeHist Postprodefine variable，点ADD Nodal DOF result,点OK,选凹槽底部，选translation UZ，点OK.9) Main Menu TimeHist PostproGraph variable在弹出对话框输入NVAR1=2点击OK,结果如图11图11 时间位移曲线三、请您针对本课程主要内容拟写总结报告，报告的第一部分为本课程的主要内容总结，第二部分请您谈谈你对本课程学习的认识与体会。 （20分）A.MEMS CAD课程的主要内容：1.MEMS 的发展与前景的介绍，说明MEMS的重要性。由此引出MEMS设计软件Ansys2. Ansys软件的使用1）Ansys软件的安装及其功能介绍2）实体建模Ansys软件中有两种模型：一种是实体模型，包括关键点、线、面、体等几何对象；另一种是有限元模型，包括节点和单元。Ansys中的建模方法有两种：一种是自底向上（首先建立关键点，用这些点建立线、面等。）和自顶向下（首先定义体（或面），然后对这些体或面按一定规则组合得到最终需要的形状）两种。 图1 自底向上建模方法 图2 自顶向下建模方法实体模型几何图形定义之后，可以有边界决定网络，即每一线段分成几个单元或单元的尺寸是多大。定义了每边单元数目或尺寸大小之后，ANSYS程序即能自动产生网格，即自动产生节点和单元，并同时完成有限元模型。实体建模还有布尔运算、移动和复制两种方法，布尔运算和移动、复制都是为了构建复杂的实体模型。3）网格化分在网格划分之前需要进行单元的属性设置。归纳起来，网格划分生成节点和单元的过程主要包括以下3个步骤：a. 定义单元类型,材料特性；ANSYS软件的单元库提供了100多种单元类型，并按类型分了类，几乎能解决大部分常见问题，如SOLID96、BEAM3、SHELL3等。在有限元分析过程中，对于不同的问题需要不同特征的单元，单元选择不当，直接影响到计算能否进行和结果的精确度。实常数的设置是依赖于单元类型的，如BEAM单元的横截面特性、SHELL单元的厚度设置等。定义材料参数就是输入进行有限元分析的材料本构关系。根据分析问题的不同，材料参数可以是：线性或非线性；各向同性、正交异性或非弹性；不随温度变化或随温度变化。b. 定义网格划分控制；选择Main Menu Preprocessor Meshing Mesh Tool命令，打开网格划分工具对话框，网格划分控制可以进行单元属性设置、Smart Size网格划分控制、单元尺寸设置、单元形状控制、网格划分器选择、网格划分优化。其中网格划分尺寸控制是重点内容。 网格划分可分为关键点网格划分、线网格划分、面网格划分、体网格划分。c.生成网格【注】网格化分主要分为两种：自由式网格划分和映射式网格化分。通过实验和理论计算，映射式网格化比自由式网格化更接近理论。 4）施加载荷与求解在建立有限元模型后就可以对模型施加载荷并进行求解。施加载荷是进行有限元分析的关键一步，可以直接对实体模型施加载荷，也可对网格划分之后的有限元模型施加载荷。在ANSYS中对模型施加载荷，可以使用多种方法，而且通过载荷步选项，可以控制求解过程中如何使用载荷。a.加载： 以特性而言，载荷可分为6大类：自由度（DOF）约束、力（集中载荷）、表面载荷、体载荷、惯性载荷和耦合场载荷。ANSYS软件提供了两种加载方式，即：将载荷施加于实体模型（关键点、线和面）上或有限元模型（节点和单元）上。b.求解载荷施加完成后即可进行有限元的求解。通常有限元求解的结果为：节点的自由度值基本解。原始解的导出解基本解。Ansys软件提供了多种求解有限元方程的方法：直接解法、稀疏矩阵法、自动迭代法、条件共轭梯度法等多种方法。5)静力学结构分析静力分析是计算结构在固定不变的载荷作用下的响应。它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构受时间变化的载荷时的情况。静力分析可以可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响（如重力和离心力），以及那些可以近似为等价静力的随时间变化载荷。静力分析可分为线性静力分析和非线性静力分析。线性静力分析用于计算那些不包括惯性和阻尼效应的载荷结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。静力分析中所施加的载荷主要包括：外部施加的作用力或压力；稳态的惯性力（如重力和离心力）；位移载荷；温度载荷。求解静力分析的主要步骤为： 选择分析类型Main Menu Solution New AnalysisStatic 施加载荷和边界条件并求解； 结果分析和评价。6）ANSYS动态分析 动态分析用来确定惯性（质量效应）和阻尼起重要作用时结构或构件的动力学特性。按照运动方程的求解形式的不同，动态分析可分为3种形式：即模态分析、瞬时动态分析和谐波响应分析。a.模态分析 模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型，同时也可以作为其他更详细的动态分析的起点，如瞬态分析和谐波响应分析等。模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，这些振动特性包括固有频率、振型、振型参与系数等。模态分析假定结构是线性的，任何非线性特性即使定义了也将被忽略。模态分析的过程有以下4个步骤组成：建模；选择分析类型和分析选项；施加边界条件并求解；评价结果。b.瞬态分析 瞬时动态分析是确定随时间变化载荷（如爆炸）作用下结构响应的技术。它需要输入一个作为时间函数的体载荷，可以输出随时间变化的位移和其他的导出量，如应力和应变等。瞬态分析可以应用在以下设计中：承受各种冲击载荷的结构、承受各种随时间变化载荷的结构、承受撞击和颠簸的家庭和办公设备。瞬态分析主要由以下几步组成：建模；选择分析类型；定义边界条件和初始条件；施加时间历程载荷并求解；查看结果。c.谐波响应分析 为了确保结构能够经受住各种不同频率的正弦体载荷，探测共振响应，并在必要时避免其发生，就需要进行谐波响应分析。在ANSYS软件中谐波响应分析主要可采用三种方法进行求解计算，即Full（完全法）、Reduced（缩减法）和Mode Superposition（模态叠加法）。谐波响应分析的基本步骤有：建模；选择分析类型及选项；施加体载荷并求解；查看结果。B.对MEMS CAD课程的认识与体会通过这一学期的学习，我对ansys软件的使用有了一定的认识，对MEMS CAD有了一定的了解，对利用ansys分析具体问题的基本步骤和方法有了一定的了解。在ansys使用过程中遇到的一些问题：1)往往会搞不清关键点（keypoint）、节点(node)、元素(element)等的意思。关键点不同于节点，关键点往往是为建立一个模型而设的点，如圆弧的圆心、线段的端点等。对于一些简