平面S型等线宽与渐变线宽微弹簧弹性系数分析.pdf

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1、．机械制造．程建建，等·平面s型等线宽与渐变线宽微弹簧弹性系数分析平面S型等线宽与渐变线宽微弹簧弹性系数分析程建建，聂伟荣，周织建，黄庆武，焦仁雷(南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094}摘要：针对微惯性器件中平面s型等线宽弹簧的弹性系数理论计算公式尚未完善，利用力学能量法．推导出了弹性系数理论公式。在平面S型等线宽弹簧基础上，提出了S型渐变线宽弹簧并推导出了弹性系数理论计算公式。利用ANSYS仿真软件验证公式的正确性。分析得到在集中力作用下．弹性系数相对误差小于3％；在惯性力作用下，其平均相对误差小于5％。分析表明，s型渐变线宽弹簧具有变形量与应力分布均匀、抗高过载的特性。研究结果为

2、微惯性器件的优化设计提供了一定的理论参考。关键词：微惯性器件；S型弹簧；渐变线宽；等线宽；弹性系数中图分类号：TH703．1文献标志码：B文章编号：1671．5276(2014)06-0069．03ElasticCoeficientAnalysisofPlanarS--shapedMicroEqualLine--widthandGradientLine—widthSpringCHENGJian-jian，NIEWei—rong，ZHOUZhi-jian，HUANGQin—WU，JIAORen—lei(SchoolofMechanicalEngineering，NanjingUniversity

3、ofScienceandTechnology，Nanjing210094，China)Abstract：PlanarspringadoptedinmicroinertialdevicesisusualyintheformofS-shapedandequalline-width．Whentheplanarspringworksunderinertialloads，itselasticcoeficientisnoteasilycalculatedtheoreticaly．Itisdeducedbasedonmechanicalenergymethodinthispaper．Andfurther，t

4、hispaperdesignstheS-shapedgradientline—widthspringanddeducesthetheoreticalformulaoftheelasticcoeficient．ThesimulationisdoneandtheapplicabilityoftheformulaisverifiedbyusingANSYSsoftware．Theanalysisdemonstratestherelativeerroroftheelasticcoeficientformulaislessthan3％underaconcentratedforce．andtheavera

5、gerelativeerrorislessthan5％underaninertialfome．TheS·shapedgradientline-widthspringhasabilitiesoftheunifOrmdeformationandstressdistribution，anti—highoverload．Thestudyresultsprovideacertaintheoreticalreferencefortheoptimaldesignofmicroinertialdevices．Keywords：microinertialdevices；S-shapedspring；gradie

6、ntline—width；equalline-width；elasticcoeficient的弹性系数理论计算公式。0引言平面S型等线宽微弹簧在惯性力作用下，弹簧弹性系数从其固定锚点处随着单元节数递增而递增，弹簧单微弹簧是一种非常重要且典型的MEMS(micro元位移量随节数的递增而减小。为了防止锚点处弹簧单electro．mechanicalsystems)器件，是微传感器、微执行器和元因形变量过大导致微弹簧失效．本文提出渐变线宽弹微陀螺仪等的重要组成部分，它不仅可为其提供弹性力，簧并推导了其弹性系数计算公式。同时解决了文献而且能够传递能量_1]。例如：压电能量采集器l2和增强[11]中“同

7、一弹簧的不同节线宽不一样对弹簧刚度的影型接触式MEMS惯性开关[3，4]采用S型弹簧单元_5]为其响”的问题。弹性单元；利用L型弹簧单元_5]为结构基本单元，设计了一种抗屈服变形的微型探针_6：微型机电安全预警开关1平面微弹簧应用环境装置"采用w型弹簧l8]结构。微弹簧的性能对其他器件能否按照设计要求正确发挥作用起着至关重要的作当平面微弹簧所受载荷为外界集中力(即等效作用用_l’。为了设计出符合性