Термомеханические актюаторы для систем микроперемещений в условиях открытого космического пространства

• Автор: Козлов, Дмитрий Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 198 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1 ВИДЫ КОНСТРУКЦИЙ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРИМЕНЕНИЕ АКТЮАТОРОВ

1.1 Обзор конструктивных вариантов актюаторов

1.1.1 Классификация актюаторов

1.1.2 Выводы по обзору конструкций и принципов действия актюаторов

1.2 Физические и технические ограничения известных технических решений актюаторов, а также методик по их исследованию

1.3 Известные области применения термомеханических актюаторов Выводы по главе 1

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ АКТЮАТОРОВ

2.1 Аналитическое моделирование

2.2 Численное моделирование с использованием программных сред конечноэлементного анализа
2.2.1 Теоретические основы моделирования с использованием программных сред конечноэлементного анализа
2.2.2 Связанный расчт напряжениетемиератураперемещение
со свободным и с заневоленным хвостовиком
2.2.3 Моделирование деформации актюатора при изменении внешней температуры
2.2.4 вязанный расчт напряжениетемпература для моделирования ситуации нагрева в условиях, близких к условиям открытого космоса
2.2.5 Расчт деформации при прямом воздействии на хвостовик
2.2.6 Параметрическое моделирование
Выводы но главе 2
3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРМОМЕХАШЧЕСКИХ АКТЮАТОРОВ
3.1 Конструкция термомеханического актюатора
3.2 Обзор технологии изготовления термомеханического актюатора
3.3 Методы исследования термомеханических актюаторов
3.3.1 Анализ методов исследования термомеханических актюаторов
3.3.2 Метод исследования динамики угла отклонения подвижного хвостовика термомеханического актюатора
3.3.3 Метод определения значения ТКЛР полиимида, входящего в структуру термомеханических актюаторов
3.3.4 Метод исследования силовых характеристик
термомеханических актюаторов
3.3.5 Метод ускоренных испытаний термомеханических актюаторов на циклическую нагрузку
3.3.6 Метод исследования тепловых характеристик актюаторов, в
том числе в условиях пониженного ат мосферного давления
3.4 Устройства на основе термомеханических актюаторов
Выводы по главе 3
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ АКТЮАТОРОВ
4.1 Термодеформационные характеристики термомеханических актюаторов
4.2 Силовые характеристики термомеханических актюаторов
4.3 Динамические характеристики термомеханических актюаторов
4.4 Надежность термомеханических актюаторов
4.5 Сопоставление теоретических и экспериментальных данных
Выводы по главе 4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Работа отмечена серебряной медалью XV Юбилейного международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-» и стипендией Президента РФ. Публикации по теме диссертации. По материалам и основному содержанию работы опубликовано 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, публикаций в иных изданиях. Подано 3 заявки на изобретение, все заявки получили положительное решение о выдаче патента, выпущен 1 патент РФ. Результаты отражены в 5 отчётах научно-исследовательских и опытноконструкторских работах, выполненных в ОАО «Российские космические системы». Объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка литературы. Материалы диссертации изложены на 8 страницах, включая 5 рисунков, 6 таблиц и список литературы из наименований. Александровичу за оказанную всестороннюю помощь в научном консультировании при подготовке данной работы. Одним из наиболее перспективных направлений в части конструкции актюаторов для систем микроперемещений представляются устройства микросистемиой техники, производство которых основано на технологии изготовления устройств микросистемиой техники. Этот класс устройств перекрывает многие недостатки классических механических элементов. Гак, сложность изготовления серийно поставленных образцов значительно ниже, надёжность выше, а функциональных возможностей у полученных устройств больше. Деление устройств этого класса на подклассы определяется методом приведения в движение. Наиболее перспективными методами считаются пьезоэлектрический и электростатический. Электростатическая активация применяется примерно в одной трети актюаторов, и, вероятно, это наиболее общий и хорошо разработанный метод, его главные недостатки это износ и слипание. Магнитные актюаторы обычно имеют большое энергопотребление, тем самым на микроскопическом уровне использование электростатического метода активации более эффективно, чем магнитного. Главный недостаток термомеханических актюаторов в необходимости рассеяния сгенерированного тепла, однако они обладают высокими деформационными и силовыми характеристиками [2]. Для оценки актюаторов используют следующие критерии качества: массогабаритные характеристики, линейность, точность, погрешность, повторяемость, люфт, несущая способность (сила, усилие), амплитуда перемещений, чувствительность, скорость, переходная характеристика, масштабируемость, мощность. Параметры эксплуатационных характеристик наиболее известных конструкций актюаторов представлены в таблице 1 [1]. Одна из возможных классификаций представлена на рисунке 1. Таблица 1. Поворотный пьезоэлектрический [ л/4х1,х0. Попаротный пьезоэлектрический (6) л/4х4,х4. Попоротый магнитный [9] 2x3,7x0,5 0 Ю*6 - 3x3 эффективность 0. С V-образными полнпмндными канавками (прототип)[1] 0,x0,6x0, 3-0 Ю*3 -0x1 О*6 * 0м Вт, эффективность 0. Структуру электростатического актюатора можно представить в виде плоского конденсатора. Эти силы, соответственно, могут перемещать балку, саму являющуюся обкладкой конденсатора, относительно другой обкладки, под действием приложенного напряжения смещения (рисунок 1. Таким образом, электрическая энергия преобразуется в механическую форму энергии. При подаче напряжения на отклоняющий электрод, относительно балки актюатора на часть консольной балки, расположенную над отклоняющим электродом начинает действовать электростатическая сила, консольная балка начинает притягиваться к электроду. По мере отклонения балки от первоначального положения, расстояние сі между ней и электродом уменьшается, что приводит к увеличению электростатической силы, ещё большему отклонению консольной балки и к замыканию балки и электрода. Рисунок 1. Для генерации больших сил необходимо, чтобы при изменении расстояния сильно изменялись ёмкости. В результате чего наибольшее распространение среди элетростатических получили гребенчатые актюаторы. В качестве примера электростатического актюатора можно рассмотреть конструкцию гребенчатого (рисунок 1. Чанг-Жин Кима и Альберто Писано. В статье [] описывается устройство микрозахвата, основанного на работе электростатического актюатора.