超聲納米旋轉(zhuǎn)器件的設(shè)計(jì)及有限元分析說明書.doc

目 錄AbstractII1 緒 論11.1引言11.2國內(nèi)外現(xiàn)狀11.3 課題研究的內(nèi)容及意義32 超聲操控微納米物質(zhì)的理論基礎(chǔ)42.1 聲學(xué)理論基礎(chǔ)42.1.1 聲學(xué)定義42.1.2 發(fā)展前景42.1.3 聲輻射力52.2 壓電理論基礎(chǔ)52.2.1 壓電效應(yīng)52.2.2 壓電材料62.2.3壓電方程82.2.4 壓電材料的振動(dòng)模式93 操控器件的有限元分析113.1 有限元分析簡介113.2 超聲器件的有限元分析114 超聲納米旋轉(zhuǎn)仿真174.1超聲納米旋轉(zhuǎn)仿真設(shè)備174.2超聲換能器的有限元分析174.3結(jié)果分析225 總結(jié)23參考文獻(xiàn)24致謝25超聲納米旋轉(zhuǎn)器件的設(shè)計(jì)及有限元分析摘 要隨著微納米技術(shù)的發(fā)展以及微納米材料在生活和科學(xué)領(lǐng)域的運(yùn)用，我們可以更充分地利用現(xiàn)有的資源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的經(jīng)濟(jì)建設(shè)！可以說，微納米技術(shù)的發(fā)展與革新正在引領(lǐng)著時(shí)代前進(jìn)的腳步。本文中，針對(duì)最近出現(xiàn)的超聲納米旋轉(zhuǎn)器件的設(shè)計(jì)進(jìn)行探究。實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)通過相應(yīng)的超聲納米旋轉(zhuǎn)器件實(shí)現(xiàn)納米級(jí)微粒的旋轉(zhuǎn)操控。有必要對(duì)該超聲裝置進(jìn)行建模分析，理解其工作機(jī)理，為今后的設(shè)計(jì)提供更好的思路。有限元的分析可以更好的讓我們了解物質(zhì)、結(jié)構(gòu)的特性，而本文中采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行相關(guān)分析。通過模態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)中需要結(jié)合結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性開展設(shè)計(jì)工作，才能實(shí)現(xiàn)器件功能的進(jìn)一步優(yōu)化。關(guān)鍵詞：超聲納米旋轉(zhuǎn)器件；微納米技術(shù)；有限元；ANSYSIIIAbstractWith the development of micro-nano technology and the application of micro-nano materials in the fields of life and science, we can make full use of existing resources and realize the economic construction of energy conservation and environmental protection. It can be said that the development and innovation of micro-nano technology is leading the pace of the times. In this paper, the recent design of ultrasonic nano-rotating devices is explored. In the experiment, the rotational manipulation of nano-particles has been realized by corresponding ultrasonic nano-rotating devices. It is necessary to model and analyze the ultrasonic device, understand its working mechanism, and provide better ideas for future design. Finite element analysis can better let us know about the characteristics of materials and structures, and ANSYS finite element analysis software is adopted in this paper to carry out related analysis. Through modal analysis, it can be found that the design work needs to be carried out in combination with the vibration characteristics of the structure in order to realize the further optimization of device functions.Key words:Ultrasonic nano rotating device； Micro - nano technology； Finite element ；ANSYS1 緒 論1.1引言當(dāng)今社會(huì)隨著微納米科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，微納米材料的應(yīng)用也更為普及。在航空航天領(lǐng)域、頂尖實(shí)驗(yàn)設(shè)備、微納米器具和器件及集成電路等機(jī)械工程領(lǐng)域和微納制造領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用。微納米的操控技術(shù)是實(shí)現(xiàn)微納米材料在生活及科研領(lǐng)域應(yīng)用的重中之重，這也實(shí)現(xiàn)了微納米領(lǐng)域引導(dǎo)了現(xiàn)代科學(xué)研究領(lǐng)域的動(dòng)向的主導(dǎo)地位。而現(xiàn)在接觸式和非接觸式兩種是微米物質(zhì)和納米物質(zhì)操控的兩個(gè)基本方法。微納米物質(zhì)的操控技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)和生物制藥上的處理、在材料選擇和材料制備的檢測、在微納機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用等都具有非常顯著的影響。借助于微納米物質(zhì)的操控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在機(jī)械上和設(shè)備中的高靈敏度傳感，可以更為有效地提高工作效率和生產(chǎn)效率，而微納米物質(zhì)操控的關(guān)鍵技術(shù)就是對(duì)對(duì)象的捕捉和定向引導(dǎo)利用。利用好微納米物質(zhì)的特性，用科學(xué)的手段將它引用在現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域，可以更好地造福人類社會(huì)。微納米物質(zhì)的操控技術(shù)也必將引領(lǐng)這個(gè)時(shí)代的科研動(dòng)向，讓我們身邊很多設(shè)備可以更容易攜帶和使用。微納米操控技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)很多，不僅對(duì)設(shè)備要求不高，而且其操作原理相對(duì)容易理解。而非接觸式方法的優(yōu)勢(shì)則體現(xiàn)在磁性操控上，微納顆粒無需帶電和帶磁；這就避免了在操控時(shí)產(chǎn)生的電磁的波動(dòng)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響。而近幾年微納米的操控技術(shù)的發(fā)展也是一日千里，因其巨大的優(yōu)勢(shì)我們更應(yīng)重視。1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀在實(shí)現(xiàn)微納操控方面，可以說仁者見仁智者見智。根據(jù)他們的原理，可以分為光、磁、電等手段，而通過這些功能的組合利用又會(huì)衍生出其它別的操控功能。例如：對(duì)捕捉功能進(jìn)行組合和利用，可以得到聚焦、定向、分離等功能。隨著現(xiàn)代微米和納米操控技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，微納米材料已經(jīng)運(yùn)用在許多科學(xué)領(lǐng)域，例如：性能較好的敏感性材料的開發(fā)、高精度醫(yī)學(xué)傳感技術(shù)、生物制藥中大分子的捕捉和分離、機(jī)械系統(tǒng)的微型結(jié)構(gòu)等等。同時(shí)，微納米材料的開發(fā)也具有多樣化，利用微納米材料的不同屬性來確定其在特定方面的應(yīng)用。合理的利用才是體現(xiàn)其價(jià)值的根本。2012年，以南京航空航天大學(xué)胡俊輝教授和他的科研團(tuán)隊(duì)為首放棄了先前認(rèn)知的聲輻射力是操控微納米物質(zhì)的主要因素。并以操控銀納米線的實(shí)驗(yàn)來佐證微納米操控其在聲學(xué)方面操控，并以此提出了一種科學(xué)的操控方法：移動(dòng)聲學(xué)流操控。微米材料的表面積與體積比相對(duì)較小即其比表面積較小，圖像相對(duì)較大。而納米材料與之正好相反。聲輻射力方面，則由微納米材料的體積決定。體積越大則其聲輻射力越大，相對(duì)而言的粘性凝滯力則由微納米材料的表面積決定，表面積越大粘性凝滯力越大。所以就聲輻射力和粘性凝滯力而言，粘性凝滯力在微納米操控上比聲輻射力更具有說服力。而此論文的研究內(nèi)容是在先前研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)壓電致動(dòng)器來控制微納米材料同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)微納米器件的操控。所以，國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀具有很大的相似之處。目前在微納米材料制造領(lǐng)域，國內(nèi)在納米材料的一維建模和操縱已經(jīng)相對(duì)而言比較成熟了。如納米顯示器，傳感器，醫(yī)學(xué)中的精密器件。而隨著微米技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外許多科研研究者在微米操控的基礎(chǔ)上，更具挑戰(zhàn)性的運(yùn)用在納米技術(shù)上。兩者雖有不同，但是在某些方面具有相似之處。然而，盡管在聲處理微納米材料方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，并且已經(jīng)設(shè)計(jì)了許多超聲換能器結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)微米材料的處理，但是由于納米材料與微米材料相比具有許多特性，因此關(guān)于超聲處理納米材料的報(bào)道很少。而國外Strobl等科研研究者于面聲波技術(shù)的研究相對(duì)國內(nèi)較為成熟，而國內(nèi)在這方面與國外有很大的差距。Strobl等科研研究者利用表面聲波技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行角度定位，材料選取這方面用的是多壁碳納米管。實(shí)驗(yàn)過程中，第一步在LiNbO3襯底表面的懸浮液上覆蓋玻璃板，第二步對(duì)懸浮液（多壁碳納米管）施加一個(gè)定向的表面聲波，實(shí)驗(yàn)中需保證懸浮液中的多壁碳納米管的方向與表面聲波的方向保持相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。 圖 1 基于表面聲波技術(shù)的多壁碳納米管角度定位2012年，胡俊輝等科研工作者首先提出了移動(dòng)聲流捕獲和三維移動(dòng)在單個(gè)銀納米線上的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)過程中，超聲換能器激發(fā)的微探針形成聲流，然后利用聲流控制銀納米線在硅襯底上的懸浮液中單個(gè)銀納米線；在垂直于微探針振動(dòng)方向的側(cè)面上單根銀納米線和固定的吸附在微探針上；實(shí)驗(yàn)過程示意圖和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象物理圖分別如圖2所示。圖2 實(shí)驗(yàn)過程示意圖綜上所述，微納米材料的超聲操控技術(shù)并不是很成熟，需要進(jìn)一步完善。壓電驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在改變的基礎(chǔ)上應(yīng)不斷優(yōu)化，以提高微納米材料操作的實(shí)際操作性和穩(wěn)定性。進(jìn)一步研究壓電致動(dòng)器操縱的聲學(xué)原理，有助于澄清納米材料操縱中遇到的問題，從理論高度指導(dǎo)壓電致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外，在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上通過聲學(xué)操控，并根據(jù)數(shù)據(jù)仿真結(jié)果，可以對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以前基于移動(dòng)聲流來操縱單個(gè)納米線的方法具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也具有一些小的缺點(diǎn)。由于這種接觸控制方法是不可避免的，具有接觸方法的固有缺陷，一是對(duì)受控納米材料造成污染，二是如果受控納米材料是粘性材料，則難以有效地釋放納米材料。因此，設(shè)計(jì)了一種鉤形超聲針，以非接觸方式操縱單個(gè)納米線，彌補(bǔ)了以往壓電驅(qū)動(dòng)器的不足。 1.3 課題研究的內(nèi)容及意義本研究的預(yù)期結(jié)果是設(shè)計(jì)和制造可用于控制液體中納米材料的超聲壓電器件與以往的裝置和方法相比，超聲壓電器件可以提高器件的穩(wěn)定性和可靠性，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異、更豐富的控制性能。微納米材料的捕獲、移動(dòng)、釋放和定位是一項(xiàng)重要而有前途的新技術(shù)，在微納制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。基于此，國內(nèi)外科研工作者對(duì)微納米操控領(lǐng)域進(jìn)行了大量的工作和研究。把它運(yùn)用在精密儀器技工，化工設(shè)備生產(chǎn)領(lǐng)域等等，不僅在現(xiàn)實(shí)生活中得到應(yīng)用，也可以進(jìn)一步促進(jìn)微納超聲操控技術(shù)的發(fā)展。 32 超聲操控微納米物質(zhì)的理論基礎(chǔ)2.1 聲學(xué)理論基礎(chǔ)2.1.1 聲學(xué)定義聲學(xué)不僅生活中非常重要，在物理學(xué)中也是一個(gè)非常重要的部分。研究機(jī)械波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，介質(zhì)的種類不同，機(jī)械波在其中的特征也是不盡相同的。聲波也是這樣，屬于機(jī)械波的一種。像這種粒子在彈性介質(zhì)中振動(dòng)，類似于耦合多個(gè)振蕩器形成的傳播。而在實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)振動(dòng)器的變化則會(huì)引起一系列的不變化。因此，聲波傳播的必要條件必須有介質(zhì)的存在。表1 常用的聲波分類聲波的分類 頻率范圍 作用于人耳的效果，例子 次聲波 20000 Hz 聽不到，聲納、超聲碎石 按照聲波的長短聲波大概可以分為三種：次聲波、正常聲波、超聲波。頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波，次聲波的特點(diǎn)有很多：頻率低、穿透力強(qiáng)、能量衰減小等，10Hz以下的次聲波傳輸可以達(dá)到幾千米之外。對(duì)于次聲波，人耳是感覺不到的。次聲波由于接近人的自然頻率，對(duì)我們的身體會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重傷害。人耳能夠聽到的正常聲音頻率通常為20Hz至20000 Hz，一旦頻率超過20000Hz人耳是感覺不到的。而超聲波就是大于20000Hz的聲波.同樣，超聲波在生活中的應(yīng)用也是極其廣泛的，超聲波對(duì)人體喲還是我們知道的，但是對(duì)我們的有益之處我們更能深切的感受到。醫(yī)院中B超、超聲波碎石（結(jié)石）等都是超聲波的應(yīng)用之處。但人耳是聽不到這種聲波的。但動(dòng)物界許多動(dòng)物如貓頭鷹、蝙蝠因?yàn)橛兄梢韵袢硕牭铰曇舻慕邮粘暡ǖ钠鞴?，是可以感到超聲波的。超聲波也有其特點(diǎn): 1 .巨大的能量；2 .傳播路徑遵循直線。2.1.2 發(fā)展前景聲音在我們生活中的重要性不言而喻，而聲音只屬于聲學(xué)的一個(gè)很小的范疇。聲學(xué)不僅在影視、全息方面的應(yīng)用，它還在語言交流、聽覺、醫(yī)療等跨學(xué)科領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。同時(shí)在環(huán)境科學(xué)、建筑聲學(xué)也有著廣泛的應(yīng)用。由于聲學(xué)交叉性，在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。越來越多的科研工作者對(duì)聲學(xué)的研究也逐漸深入，使聲學(xué)的發(fā)展一日千里。 2.1.3 聲輻射力聲波在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生一定的能量和動(dòng)量，由于聲波和介質(zhì)的不同會(huì)發(fā)生一些折射、吸收。在這個(gè)過程中能量相互交換，所以收到聲輻射力。 通常，能量密度的變化是聲輻射力的重要產(chǎn)生要素。由能量密度差理論可得，聲輻射力是通過將物體的動(dòng)能、勢(shì)能和移動(dòng)速度與物體表面和時(shí)間以一定形式而獲得的。表達(dá)式如下： 其中K能量密度的動(dòng)能而U表示能量密度勢(shì)能，表示物體的表面積，表示物體的速度。2.2 壓電理論基礎(chǔ)2.2.1 壓電效應(yīng)1880年和1881年壓電效應(yīng)的發(fā)展可以說是一種跨越時(shí)代的，通過大量實(shí)驗(yàn)法國科學(xué)家居里兄弟發(fā)現(xiàn)了電氣石的壓電效應(yīng)并測出了它的壓電常數(shù)。壓電傳感器是利用正壓電效應(yīng)，相對(duì)的逆壓電效應(yīng)與它是相反的，它的含義是改變電場使晶體機(jī)械變形的物理現(xiàn)象。在施加電場時(shí)，晶體機(jī)械變形。當(dāng)電場撤銷時(shí)，晶體又恢復(fù)到先前的狀態(tài)。機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)換前提條件是正負(fù)壓電效應(yīng)中，如圖3所示。圖 3 正逆兩種壓電效應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系圖晶體的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的示意圖如下圖 4 所示。（a） 正壓電效應(yīng) （b） 逆壓電效應(yīng) 圖 4 正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)示意圖2.2.2 壓電材料 壓電材料是一種具有特性的材料，是一種可以施加電壓的晶體材料。1946年，鈦酸鋇陶瓷材料的鐵電性能得到確認(rèn)，逐漸認(rèn)識(shí)到正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)不僅是單晶的獨(dú)特特性，而且多晶也可以具有相同的特性。與生活中的普通材料相比，碳酸鋇壓電陶瓷的制備相對(duì)來說比較簡單，而且極化方向可以根據(jù)需求來改變。這也就使壓電陶瓷材料在應(yīng)用中更為普及。幾年后，賈菲等科研研究者在碳酸鋇壓電陶瓷的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了更好的壓電材料。在各種參數(shù)的綜合比較中，壓電陶瓷換能器( PZT )以其優(yōu)越的性能在壓電陶瓷材料中顯現(xiàn)出來。PZT壓電陶瓷優(yōu)點(diǎn)如下: ( 1 )機(jī)械強(qiáng)度高，壓電電壓常數(shù)高，沖擊時(shí)不發(fā)生機(jī)械變形， 輸出電壓不會(huì)因沖擊而顯著降低； ( 2 )機(jī)械能和電能轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高；( 3 )頻率和溫度穩(wěn)定性高；( 4 )較高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)；( 5 )價(jià)格低廉，制備容易。隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，越來越多的壓電材料被發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過不斷的努力，鋯鈦酸鉛壓這種性能較好的壓電材料得到了大眾的認(rèn)可。很多壓電材料本身不具有壓電性能，利用電場對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行電極化可以獲得壓電性能。極化過程如圖所示。在施加增強(qiáng)電場之后，由于電場的作用，具有不一致方向的疇被布置在電場的方向上，如圖 ( b )所示。圖( c )就是所說的極化壓電陶瓷。 （a）處理前 （b）處理中 （c）處理后圖5 壓電陶瓷極化過程中的電疇變化示意圖為了得出壓電次材料的一些數(shù)據(jù)，反映出它的性能。我們多角度去實(shí)驗(yàn)檢測，通過它的主要性能來入手。壓電材料介電特性的通用參數(shù)稱之為介電常數(shù)，介電常數(shù)的表達(dá)式如下:C表示壓電材料元件的電容，單位為f；d表示電極之間的距離，單位為m；a表示電極的面積()。在生活實(shí)際應(yīng)用中，我們有時(shí)也以相對(duì)介電常數(shù)來表達(dá)材料的性能。其關(guān)系式: 其中0表示真空絕對(duì)介電常數(shù)，且該值為F/ m.壓電材料的工作必須在特定情況下才能正常進(jìn)行。在一定的溫度范圍內(nèi)，壓電材料才可以正常工作，這時(shí)候其壓電性能才會(huì)顯現(xiàn)出來。超過這個(gè)溫度，壓電材料將不再具有壓電性能，我們稱這個(gè)臨界溫度為居里溫度，用TC表示。因此，為了使壓電材料元件能夠正常工作，必須使其在居里溫度下工作，否則元件無法正常工作，這就會(huì)大大降低我們的工作效率。2.2.3壓電方程壓電材料力學(xué)和電學(xué)之間的關(guān)系，通過壓電方程我們可以直觀的看出力和點(diǎn)相互作用的壓電特性。但是，在不同的環(huán)境測試下，壓電材料所選用的方程也是不同的。不同的幾點(diǎn)邊界，方程自變量是不同的。根據(jù)機(jī)械邊界和電氣邊界的不同，壓電材料的壓電方程可分為四種類型: d型、e型、g型和h型。1. d型壓電方程：邊界條件自由度、電短路自變量應(yīng)力t、電場強(qiáng)度e因變量應(yīng)變s、電位移d方程式如下 2. e型壓電方程：邊界條件機(jī)械加緊、電器短路自變量應(yīng)變s、電場強(qiáng)度e因變量應(yīng)力t、電位移d方程式如下3. g型壓電方程：邊界條件機(jī)械自由度、電氣開路自變量應(yīng)力t、電位移d因變量應(yīng)變s、電場強(qiáng)度e方程式如下4. h型壓電方程：邊界條件機(jī)械夾緊、電氣開路自變量應(yīng)變s、電位移d因變量應(yīng)力d、電場強(qiáng)度e方程式如下了解和掌握壓電的基本知識(shí)，熟練運(yùn)用壓電材料的壓電方程，有助于我們理解和運(yùn)用壓電元件的工作原理，為壓電驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)和制造提供很大的幫助。2.2.4 壓電材料的振動(dòng)模式壓電材料的不同，使用的裝置也不同。通常振蕩器，換能器等裝著都是根據(jù)壓電材料的振蕩特性來工作的。根據(jù)不同壓電材料讓其來激發(fā)壓電體，從而使壓電體發(fā)生振動(dòng)，所以我們不僅要了解其振動(dòng)模式，還要更好的了解元件的工作原理和特性，才可以更有效地的提高工作效率。當(dāng)振動(dòng)方向與極化方向一致時(shí)，我們稱之為正壓電效應(yīng)。當(dāng)極化方向垂直于振動(dòng)方向時(shí)，稱為橫向效應(yīng)。下表顯示了常用的不同形狀壓電材料的振動(dòng)模式。 圖中空心箭頭表示壓電材料的極化方向，實(shí)心箭頭表示壓電材料的振動(dòng)方向表2 常見壓電振子的振動(dòng)模式橫向效 應(yīng) 棒的縱向振動(dòng) 板寬方向振動(dòng) 板寬方向振動(dòng) 柱殼的軸向振動(dòng) 圓板的徑向振動(dòng) 圓環(huán)的徑向振動(dòng) 柱殼的徑向振動(dòng) 厚度剪切振動(dòng) 縱向效 應(yīng) 棒的縱向振動(dòng) 板寬方向振動(dòng) 圓板的厚度振動(dòng) 厚度剪切振動(dòng) 93 操控器件的有限元分析3.1 有限元分析簡介ANSYS是現(xiàn)在比較主流的有限元分析軟件，主要是采用數(shù)據(jù)分析的方法來解決各種工程問題。有限元法（finiteelementmethod）是在如今科學(xué)研究中對(duì)材料的研究有著難以取代的地位，他不僅效能高而且比較常用。一般來說，任何有限元仿真軟件解決實(shí)際工程問題的基本步驟分為以下三個(gè)步驟。預(yù)處理:建立模型，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，賦予材料屬性；分析計(jì)算:應(yīng)用載荷和邊界約束條件，選擇合適的解算器求解；后處理:進(jìn)一步處理計(jì)算結(jié)果并以各種形式顯示輸出，與有限元仿真分析的三個(gè)步驟相對(duì)應(yīng)，ANSYS軟件分為三個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)各個(gè)步驟的功能，即預(yù)處理模塊、求解模塊和后處理模塊。3.2 超聲器件的有限元分析有限元的分析前面已經(jīng)大致介紹過了，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)圓柱幾何模型，可以對(duì)圓柱進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在分析圓柱的同時(shí)，應(yīng)盡可能均勻劃分單元格來確保有限元分析的準(zhǔn)確性。因?yàn)檫@樣可以避免應(yīng)力集中，有效的降低誤差。我們對(duì)圓柱進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，在特定頻率下對(duì)其施加載荷，根據(jù)載荷的不同得出端部的運(yùn)動(dòng)軌跡。通過比較，得出其規(guī)律。圓柱模型粗1mm，長10cm如圖6所示圖6 分析對(duì)象模型取前50階模態(tài)，其對(duì)應(yīng)的頻率柱形圖7如下。最后根據(jù)其頻率我們選用恰當(dāng)?shù)念l率進(jìn)行分析。如圖所示圖7 柱形頻率圖下面為前兩階振型圖圖8.1 一階縱振圖8.2 二階縱振與超聲波相對(duì)應(yīng)的我們選20000hz-150000hz，由振型圖可以查到23階其頻率為21525Hz，較為合適。圖9 頻率圖其變形云圖如10所示圖10 23階分析對(duì)象變形云圖在此頻率下，對(duì)其進(jìn)行諧響應(yīng)分析，在其固定端附近施加一個(gè)載荷。載荷是一個(gè)大小為5微牛的力。如圖11所示圖11 圓柱施加單向載荷我們?cè)谄淞硪欢巳∫粋€(gè)質(zhì)點(diǎn)，如下圖12所示圖12 質(zhì)點(diǎn)的選取然后根據(jù)ANSYS進(jìn)行運(yùn)算質(zhì)點(diǎn)在頂端位移數(shù)據(jù)如下表3 質(zhì)點(diǎn)位移可以得到質(zhì)點(diǎn)在頂端的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條直線為了使數(shù)據(jù)更充分我們?cè)谄涔潭ǘ烁浇┘右粋€(gè)簡諧載荷，如下圖所示圖13（a） 圓柱施加簡諧載荷載荷加載在X軸上，大小都為5微牛，施加了質(zhì)點(diǎn)的變形云圖 所示圖13（b）簡諧載荷施加在圓柱體上及質(zhì)點(diǎn)的選取23然后進(jìn)行諧響應(yīng)分析，可得其頻率振幅圖和頻率相角圖14 頻率振幅圖和頻率相角圖根據(jù)頻率響應(yīng)圖我們可以看出21500-21750hz之間，質(zhì)點(diǎn)振幅達(dá)到最大。相位角也是在21500-21750hz之間達(dá)到最大?？梢灶A(yù)測質(zhì)點(diǎn)在模型頂端做圓形和橢圓運(yùn)動(dòng)，為此得出大量質(zhì)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)。因數(shù)據(jù)太多我們選其一進(jìn)行分析。質(zhì)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)如下表表4 簡諧載荷作用下質(zhì)點(diǎn)的位移由點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡表明質(zhì)點(diǎn)在做圓形和橢圓形的運(yùn)動(dòng)，這也驗(yàn)證了我們先前的預(yù)測。所以我們得出結(jié)論給模型底端附近施加一個(gè)簡諧載荷，其頂端在做規(guī)則的圓形和橢圓形運(yùn)動(dòng)！4 超聲納米旋轉(zhuǎn)仿真4.1超聲納米旋轉(zhuǎn)仿真設(shè)備前面我們對(duì)圓柱進(jìn)行了有限元分析，在此基礎(chǔ)上我們建立新的三維有限元模型超聲換能器的模型。此設(shè)備拍攝于南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，其實(shí)物圖如下圖15 超聲換能器實(shí)物圖圖示出了實(shí)驗(yàn)中用于驅(qū)動(dòng)單個(gè)銀納米線的旋轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)尺寸。傳遞梁是由銅片制成的，把它固定在壓電片的一端。選取的壓電板材料必須是一樣的，材質(zhì)為不銹鋼，長度、寬度、厚度分別為30mm、30mm、3mm。將傳動(dòng)梁固定在其中一個(gè)壓電板之上，如上圖中的一角。四個(gè)壓電環(huán)尺寸相同，外徑12 mm，內(nèi)徑6mm，厚度1.2 mm。微操作探針由直徑僅為10、總長度為3.2 mm的玻璃纖維制成，超出振動(dòng)傳遞梁的部分為1.2 mm利用ANSYS有限元仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了有限元分析。分析了超聲轉(zhuǎn)向裝置的振動(dòng)特性以及各種參數(shù)對(duì)裝置性能的影響。這些數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)我們對(duì)微納米轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行改進(jìn)，為以后同樣類似的裝置提供一些可靠的模板進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過仿真可以得到，如果將振動(dòng)傳輸梁的材料改為超聲換能器的普通材料或改變振動(dòng)傳輸梁的結(jié)構(gòu)尺寸，控制裝置的工作點(diǎn)(微控制探頭做橢圓運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電壓頻率)仍然存在。在設(shè)計(jì)這種控制裝置時(shí)，微控制探頭的長度lm和驅(qū)動(dòng)電壓的頻率必須避開微控制探頭的諧振點(diǎn)。4.2超聲換能器的有限元分析利用超聲波方法對(duì)襯底上液膜中的銀納米線進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，銀納米線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并不會(huì)使襯底振動(dòng)。銀納米線可以圍繞其中心或一端旋轉(zhuǎn)，并且該旋轉(zhuǎn)中心與微操作探針的尖端重合。由于聲學(xué)的交叉性和多樣性，可以用來操控和旋轉(zhuǎn)各種納米結(jié)構(gòu)。這就使其有了廣闊的發(fā)展前景，其在分析中的主流地位有了更強(qiáng)的說服力。其模型如下圖（a）(b)圖16 模型圖其所用材料如下表5所示表5 器件中各個(gè)結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)材料 密度 (kg/m3) 泊松比 楊氏模量 (1011 Pa) 不銹鋼 7800 0.30 2.0 銅 8760 0.28 1.13 玻璃纖維 2700 0.30 0.76 鋁 2700 0.33 0.7 鈦 4500 0.33 1.02 振動(dòng)傳遞梁和換能器的三維有限元模型如下所示圖17 三維有限元模型上述對(duì)象所需的壓電常數(shù)，機(jī)電耦合系數(shù)為0.62，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)為500，介質(zhì)損耗因數(shù)tan為0.6 %，密度為7450 kg / 。 在計(jì)算的過程中，都采用峰值為10v的正選驅(qū)動(dòng)電壓。出了另外標(biāo)注的，其他的都是一樣。下圖18則分別顯示了微型探針根部o點(diǎn)在x、y、z方向的振幅與驅(qū)動(dòng)電壓頻率之間的關(guān)系。從圖中可以看出，該裝置的諧振頻率為93 kHz，與激光測振儀測量的結(jié)果完全一致。圖19看出了金屬短板和振動(dòng)傳輸梁在z方向的振動(dòng)，其頻率為93kHz。然而，在實(shí)驗(yàn)中，沒有器件驅(qū)動(dòng)單個(gè)銀納米線以93 khz頻率旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。圖19的這種情況可以很好地解釋原因，振動(dòng)傳輸梁在寬度方向上的振動(dòng)情況不均勻，這也表明粘貼在其上的微操縱探針的根部在z方向上沒有均勻的振動(dòng)相位，導(dǎo)致微操縱探針尖端沒有橢圓運(yùn)動(dòng)，沒有旋轉(zhuǎn)聲渦流，也沒有單個(gè)銀納米線在液體中被驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)?？梢杂^察到，當(dāng)驅(qū)動(dòng)單個(gè)銀納米線旋轉(zhuǎn)時(shí)，施加的電壓的頻率為137 kHz。因此，可以得出結(jié)論，整個(gè)超聲裝置在正常工作時(shí)不處于共振狀態(tài)。圖18 微型操控探針根部 O 點(diǎn)在 X、Y、Z 方向的振動(dòng)振幅與驅(qū)動(dòng)電壓頻率的關(guān)系圖19 端板和振動(dòng)傳遞梁在 93 kHz 時(shí)，Z 方向的振動(dòng)情況為了更好地了解材料參數(shù)對(duì)裝置正常工作點(diǎn)頻率的影響，采用控制變量的方法研究了單個(gè)變量對(duì)工作頻率的影響，研究了振動(dòng)傳遞梁的密度、楊氏模量和泊松比對(duì)工作頻率的影響，數(shù)據(jù)如下圖所示。（a）工作頻率與振動(dòng)傳遞梁密度的關(guān)系(b) 工作頻率與振動(dòng)傳遞梁楊氏模量的關(guān)系(c) 工作頻率與振動(dòng)傳遞梁泊松比的關(guān)系圖20 振動(dòng)傳遞梁的密度、楊氏模量和泊松比對(duì)工作頻率的影響從圖中可以看出，裝置的正常工作頻率隨振動(dòng)傳遞梁密度的增加而減小，隨楊氏模量的增加而增加，但泊松比基本上對(duì)裝置的工作頻率沒有影響。通過以上的有限元分析可以更好的了解材料屬性，也為我們后面的實(shí)驗(yàn)提供了新思路。我們可以通過單一變量，來改變其它數(shù)據(jù)來得出不同的結(jié)果進(jìn)行相互比較，從而得出一個(gè)契合的對(duì)象。通過選擇不同密度或楊氏模量的材料，在裝置中制作振動(dòng)傳遞梁，從而調(diào)節(jié)裝置的正常工作頻率。來提升整個(gè)實(shí)驗(yàn)的效率，也使數(shù)據(jù)更有說服力。4.3結(jié)果分析通過本章的內(nèi)容，提出了驅(qū)動(dòng)襯底上液膜中單個(gè)銀納米線旋轉(zhuǎn)的超聲操縱方法。通過有限元仿真分析，發(fā)現(xiàn)了用于驅(qū)動(dòng)單個(gè)銀納米線旋轉(zhuǎn)的超聲轉(zhuǎn)向裝置的振動(dòng)特性，以及裝置的各種參數(shù)對(duì)裝置工作性能的影響。這些數(shù)據(jù)和結(jié)果可以指導(dǎo)我們對(duì)超聲轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。用超聲波換能器中常用的金屬材料(不銹鋼、鋁、鈦)代替銅材料制作振動(dòng)傳輸梁時(shí)，超聲波控制裝置仍能正常工作，通過改變材料參數(shù)可以調(diào)節(jié)裝置的正常工作頻率。安裝振動(dòng)傳輸梁也很重要。為了有效地驅(qū)動(dòng)振動(dòng)傳遞梁，防止振動(dòng)傳遞梁扭轉(zhuǎn)，應(yīng)將振動(dòng)傳遞梁固定在金屬端板的一個(gè)角上，并沿角平分線固定。最后，為了保證超聲轉(zhuǎn)向裝置的工作穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)超聲轉(zhuǎn)向裝置時(shí)，微轉(zhuǎn)向探頭的長度Lm和驅(qū)動(dòng)電壓的頻率應(yīng)避開微轉(zhuǎn)向探頭的諧振點(diǎn)。5 總結(jié)1. 介紹了國內(nèi)外微納米研究的現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了微納材料的超聲捕獲、超聲聚集和超聲旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。同時(shí)，總結(jié)了超聲控制微納材料的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)，從而引出本課題的研究目的、研究內(nèi)容、研究方法和研究意義。2. 認(rèn)真閱讀了以往發(fā)表的微納米物質(zhì)超聲操控研究論文及相關(guān)材料，總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)。并根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們可以大膽猜測分析對(duì)象的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后進(jìn)行試驗(yàn)，由得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以來反正猜測的結(jié)果，看其是否一致。若一致，則猜測結(jié)果正確，如不一致猜測結(jié)果錯(cuò)誤。然后重新思考其中的錯(cuò)誤點(diǎn)，可以增強(qiáng)自己的動(dòng)手能力和開闊自己的知識(shí)面。3. 詳細(xì)的介紹了有限元的發(fā)展，并自學(xué)了分析有限元的軟件ANSYS。了解到在分析有限元時(shí)，需要注意的東西。更有效率的提升了實(shí)驗(yàn)的速度。4. 設(shè)計(jì)了分析對(duì)象（圓柱）和超聲換能器，并對(duì)其進(jìn)行了有限元分析。通過模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析得出了一些結(jié)論，有助于以后在實(shí)驗(yàn)中的分析。不斷對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器進(jìn)行優(yōu)化，更好的服務(wù)社會(huì)和國家。在微納米的世界我們只是一顆砂石，抱著虛心的態(tài)度探索納米世界的奇妙我們還用很長一段路走。懷揣敬畏之心，讓我們更深入的研究、挖掘和完善超聲納米操控技術(shù)，在微分之路上走的更遠(yuǎn)更長。參考文獻(xiàn)1楊愷. 納米顆粒在細(xì)胞膜表面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)研究A. 中國化學(xué)會(huì).中國化學(xué)會(huì)2016年軟物質(zhì)理論計(jì)算與模擬會(huì)議論文摘要集C.中國化學(xué)會(huì),2016. 2王曉飛. 液體中納米物質(zhì)超聲操控裝置及其分析D.南京航空航天大學(xué),2016. 3楊立新,趙楠.Ni納米線在旋轉(zhuǎn)磁場下的運(yùn)動(dòng)行為研究J.工程熱物理學(xué)報(bào),2015,36(04):838-842. 4宋海龍,汪勇,李昊東,金丹.壓電材料及壓電效應(yīng)的應(yīng)用J.硅谷,2014,7(23):107-108. 5聶少董. 基于梁振動(dòng)原理的兩種超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)的研究D.東北大學(xué),2014. 6朱景春.超聲法合成納米材料的原理及應(yīng)用進(jìn)展J.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2018(07):188-189.7張一達(dá),馬春陽,楊蕊,許秀英.超聲-電沉積Ni-TiN納米