超聲納米旋轉器件的設計及有限元分析說明書.doc

目 錄AbstractII1 緒 論11.1引言11.2國內外現(xiàn)狀11.3 課題研究的內容及意義32 超聲操控微納米物質的理論基礎42.1 聲學理論基礎42.1.1 聲學定義42.1.2 發(fā)展前景42.1.3 聲輻射力52.2 壓電理論基礎52.2.1 壓電效應52.2.2 壓電材料62.2.3壓電方程82.2.4 壓電材料的振動模式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 超聲納米旋轉仿真174.1超聲納米旋轉仿真設備174.2超聲換能器的有限元分析174.3結果分析225 總結23參考文獻24致謝25超聲納米旋轉器件的設計及有限元分析摘 要隨著微納米技術的發(fā)展以及微納米材料在生活和科學領域的運用，我們可以更充分地利用現(xiàn)有的資源，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的經濟建設！可以說，微納米技術的發(fā)展與革新正在引領著時代前進的腳步。本文中，針對最近出現(xiàn)的超聲納米旋轉器件的設計進行探究。實驗中已經通過相應的超聲納米旋轉器件實現(xiàn)納米級微粒的旋轉操控。有必要對該超聲裝置進行建模分析，理解其工作機理，為今后的設計提供更好的思路。有限元的分析可以更好的讓我們了解物質、結構的特性，而本文中采用ANSYS有限元分析軟件進行相關分析。通過模態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)，在設計中需要結合結構的振動特性開展設計工作，才能實現(xiàn)器件功能的進一步優(yōu)化。關鍵詞：超聲納米旋轉器件；微納米技術；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引言當今社會隨著微納米科學技術的快速發(fā)展，微納米材料的應用也更為普及。在航空航天領域、頂尖實驗設備、微納米器具和器件及集成電路等機械工程領域和微納制造領域已廣泛應用。微納米的操控技術是實現(xiàn)微納米材料在生活及科研領域應用的重中之重，這也實現(xiàn)了微納米領域引導了現(xiàn)代科學研究領域的動向的主導地位。而現(xiàn)在接觸式和非接觸式兩種是微米物質和納米物質操控的兩個基本方法。微納米物質的操控技術在生物醫(yī)學和生物制藥上的處理、在材料選擇和材料制備的檢測、在微納機電系統(tǒng)的應用等都具有非常顯著的影響。借助于微納米物質的操控技術可以實現(xiàn)在機械上和設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效率，而微納米物質操控的關鍵技術就是對對象的捕捉和定向引導利用。利用好微納米物質的特性，用科學的手段將它引用在現(xiàn)代科學領域，可以更好地造福人類社會。微納米物質的操控技術也必將引領這個時代的科研動向，讓我們身邊很多設備可以更容易攜帶和使用。微納米操控技術的優(yōu)點很多，不僅對設備要求不高，而且其操作原理相對容易理解。而非接觸式方法的優(yōu)勢則體現(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產生的電磁的波動對結果產生的影響。而近幾年微納米的操控技術的發(fā)展也是一日千里，因其巨大的優(yōu)勢我們更應重視。1.2國內外現(xiàn)狀在實現(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衍生出其它別的操控功能。例如：對捕捉功能進行組合和利用，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的快速發(fā)展和進步，微納米材料已經運用在許多科學領域，例如：性能較好的敏感性材料的開發(fā)、高精度醫(yī)學傳感技術、生物制藥中大分子的捕捉和分離、機械系統(tǒng)的微型結構等等。同時，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用。合理的利用才是體現(xiàn)其價值的根本。2012年，以南京航空航天大學胡俊輝教授和他的科研團隊為首放棄了先前認知的聲輻射力是操控微納米物質的主要因素。并以操控銀納米線的實驗來佐證微納米操控其在聲學方面操控，并以此提出了一種科學的操控方法：移動聲學流操控。微米材料的表面積與體積比相對較小即其比表面積較小，圖像相對較大。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。而此論文的研究內容是在先前研究的基礎上，設計壓電致動器來控制微納米材料同時實現(xiàn)對微納米器件的操控。所以，國內外研究的現(xiàn)狀具有很大的相似之處。目前在微納米材料制造領域，國內在納米材料的一維建模和操縱已經相對而言比較成熟了。如納米顯示器，傳感器，醫(yī)學中的精密器件。而隨著微米技術的發(fā)展，國內外許多科研研究者在微米操控的基礎上，更具挑戰(zhàn)性的運用在納米技術上。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取得了很大的進展，并且已經設計了許多超聲換能器結構來實現(xiàn)對微米材料的處理，但是由于納米材料與微米材料相比具有許多特性，因此關于超聲處理納米材料的報道很少。而國外Strobl等科研研究者于面聲波技術的研究相對國內較為成熟，而國內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對材料進行角度定位，材料選取這方面用的是多壁碳納米管。實驗過程中，第一步在LiNbO3襯底表面的懸浮液上覆蓋玻璃板，第二步對懸浮液（多壁碳納米管）施加一個定向的表面聲波，實驗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，實驗結果如圖1所示。 圖 1 基于表面聲波技術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聲流捕獲和三維移動在單個銀納米線上的應用。實驗過程中，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銀納米線；在垂直于微探針振動方向的側面上單根銀納米線和固定的吸附在微探針上；實驗過程示意圖和實驗現(xiàn)象物理圖分別如圖2所示。圖2 實驗過程示意圖綜上所述，微納米材料的超聲操控技術并不是很成熟，需要進一步完善。壓電驅動器的結構設計在改變的基礎上應不斷優(yōu)化，以提高微納米材料操作的實際操作性和穩(wěn)定性。進一步研究壓電致動器操縱的聲學原理，有助于澄清納米材料操縱中遇到的問題，從理論高度指導壓電致動器的結構設計。此外，在數(shù)學模型的基礎上通過聲學操控，并根據(jù)數(shù)據(jù)仿真結果，可以對壓電驅動器的參數(shù)進行優(yōu)化。以前基于移動聲流來操縱單個納米線的方法具有許多優(yōu)點，但也具有一些小的缺點。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，設計了一種鉤形超聲針，以非接觸方式操縱單個納米線，彌補了以往壓電驅動器的不足。 1.3 課題研究的內容及意義本研究的預期結果是設計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，實現(xiàn)更優(yōu)異、更豐富的控制性能。微納米材料的捕獲、移動、釋放和定位是一項重要而有前途的新技術，在微納制造等領域有著廣泛的應用?；诖耍瑖鴥韧饪蒲泄ぷ髡邔ξ⒓{米操控領域進行了大量的工作和研究。把它運用在精密儀器技工，化工設備生產領域等等，不僅在現(xiàn)實生活中得到應用，也可以進一步促進微納超聲操控技術的發(fā)展。 32 超聲操控微納米物質的理論基礎2.1 聲學理論基礎2.1.1 聲學定義聲學不僅生活中非常重要，在物理學中也是一個非常重要的部分。研究機械波在介質中的傳播規(guī)律，介質的種類不同，機械波在其中的特征也是不盡相同的。聲波也是這樣，屬于機械波的一種。像這種粒子在彈性介質中振動，類似于耦合多個振蕩器形成的傳播。而在實驗中，一個振動器的變化則會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，次聲波的特點有很多：頻率低、穿透力強、能量衰減小等，10Hz以下的次聲波傳輸可以達到幾千米之外。對于次聲波，人耳是感覺不到的。次聲波由于接近人的自然頻率，對我們的身體會產生嚴重傷害。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用也是極其廣泛的，超聲波對人體喲還是我們知道的，但是對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（結石）等都是超聲波的應用之處。但人耳是聽不到這種聲波的。但動物界許多動物如貓頭鷹、蝙蝠因為有著可以像人耳聽到聲音的接收超聲波的器官，是可以感到超聲波的。超聲波也有其特點: 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，而聲音只屬于聲學的一個很小的范疇。聲學不僅在影視、全息方面的應用，它還在語言交流、聽覺、醫(yī)療等跨學科領域發(fā)揮著重要作用。同時在環(huán)境科學、建筑聲學也有著廣泛的應用。由于聲學交叉性，在各個學科領域有著廣闊的發(fā)展前景。越來越多的科研工作者對聲學的研究也逐漸深入，使聲學的發(fā)展一日千里。 2.1.3 聲輻射力聲波在傳播過程中會產生一定的能量和動量，由于聲波和介質的不同會發(fā)生一些折射、吸收。在這個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能、勢能和移動速度與物體表面和時間以一定形式而獲得的。表達式如下： 其中K能量密度的動能而U表示能量密度勢能，表示物體的表面積，表示物體的速度。2.2 壓電理論基礎2.2.1 壓電效應1880年和1881年壓電效應的發(fā)展可以說是一種跨越時代的，通過大量實驗法國科學家居里兄弟發(fā)現(xiàn)了電氣石的壓電效應并測出了它的壓電常數(shù)。壓電傳感器是利用正壓電效應，相對的逆壓電效應與它是相反的，它的含義是改變電場使晶體機械變形的物理現(xiàn)象。在施加電場時，晶體機械變形。當電場撤銷時，晶體又恢復到先前的狀態(tài)。機械能和電能的相互轉換前提條件是正負壓電效應中，如圖3所示。圖 3 正逆兩種壓電效應的能量轉換關系圖晶體的正壓電效應和逆壓電效應的示意圖如下圖 4 所示。（a） 正壓電效應 （b） 逆壓電效應 圖 4 正壓電效應和逆壓電效應示意圖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，逐漸認識到正壓電效應和逆壓電效應不僅是單晶的獨特特性，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)點如下: ( 1 )機械強度高，壓電電壓常數(shù)高，沖擊時不發(fā)生機械變形， 輸出電壓不會因沖擊而顯著降低； ( 2 )機械能和電能轉換效率相對較高；( 3 )頻率和溫度穩(wěn)定性高；( 4 )較高的機械品質因數(shù)；( 5 )價格低廉，制備容易。隨著科學的不斷進步，越來越多的壓電材料被發(fā)現(xiàn)。經過不斷的努力，鋯鈦酸鉛壓這種性能較好的壓電材料得到了大眾的認可。很多壓電材料本身不具有壓電性能，利用電場對壓電陶瓷進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。我們多角度去實驗檢測，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()。在生活實際應用中，我們有時也以相對介電常數(shù)來表達材料的性能。其關系式: 其中0表示真空絕對介電常數(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行。在一定的溫度范圍內，壓電材料才可以正常工作，這時候其壓電性能才會顯現(xiàn)出來。超過這個溫度，壓電材料將不再具有壓電性能，我們稱這個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，這就會大大降低我們的工作效率。2.2.3壓電方程壓電材料力學和電學之間的關系，通過壓電方程我們可以直觀的看出力和點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。不同的幾點邊界，方程自變量是不同的。根據(jù)機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、電短路自變量應力t、電場強度e因變量應變s、電位移d方程式如下 2. e型壓電方程：邊界條件機械加緊、電器短路自變量應變s、電場強度e因變量應力t、電位移d方程式如下3. g型壓電方程：邊界條件機械自由度、電氣開路自變量應力t、電位移d因變量應變s、電場強度e方程式如下4. h型壓電方程：邊界條件機械夾緊、電氣開路自變量應變s、電位移d因變量應力d、電場強度e方程式如下了解和掌握壓電的基本知識，熟練運用壓電材料的壓電方程，有助于我們理解和運用壓電元件的工作原理，為壓電驅動器的設計和制造提供很大的幫助。2.2.4 壓電材料的振動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，所以我們不僅要了解其振動模式，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。當振動方向與極化方向一致時，我們稱之為正壓電效應。當極化方向垂直于振動方向時，稱為橫向效應。下表顯示了常用的不同形狀壓電材料的振動模式。 圖中空心箭頭表示壓電材料的極化方向，實心箭頭表示壓電材料的振動方向表2 常見壓電振子的振動模式橫向效 應 棒的縱向振動 板寬方向振動 板寬方向振動 柱殼的軸向振動 圓板的徑向振動 圓環(huán)的徑向振動 柱殼的徑向振動 厚度剪切振動 縱向效 應 棒的縱向振動 板寬方向振動 圓板的厚度振動 厚度剪切振動 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）是在如今科學研究中對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際工程問題的基本步驟分為以下三個步驟。預處理:建立模型，對模型進行網(wǎng)格劃分，賦予材料屬性；分析計算:應用載荷和邊界約束條件，選擇合適的解算器求解；后處理:進一步處理計算結果并以各種形式顯示輸出，與有限元仿真分析的三個步驟相對應，ANSYS軟件分為三個模塊來實現(xiàn)各個步驟的功能，即預處理模塊、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大致介紹過了，我們設計一個圓柱幾何模型，可以對圓柱進行網(wǎng)格劃分。在分析圓柱的同時，應盡可能均勻劃分單元格來確保有限元分析的準確性。因為這樣可以避免應力集中，有效的降低誤差。我們對圓柱進行模態(tài)分析和諧響應分析，在特定頻率下對其施加載荷，根據(jù)載荷的不同得出端部的運動軌跡。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 分析對象模型取前50階模態(tài)，其對應的頻率柱形圖7如下。最后根據(jù)其頻率我們選用恰當?shù)念l率進行分析。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應的我們選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階分析對象變形云圖在此頻率下，對其進行諧響應分析，在其固定端附近施加一個載荷。載荷是一個大小為5微牛的力。如圖11所示圖11 圓柱施加單向載荷我們在其另一端取一個質點，如下圖12所示圖12 質點的選取然后根據(jù)ANSYS進行運算質點在頂端位移數(shù)據(jù)如下表3 質點位移可以得到質點在頂端的運動軌跡為一條直線為了使數(shù)據(jù)更充分我們在其固定端附近施加一個簡諧載荷，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，施加了質點的變形云圖 所示圖13（b）簡諧載荷施加在圓柱體上及質點的選取23然后進行諧響應分析，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)頻率響應圖我們可以看出21500-21750hz之間，質點振幅達到最大。相位角也是在21500-21750hz之間達到最大?？梢灶A測質點在模型頂端做圓形和橢圓運動，為此得出大量質點位移數(shù)據(jù)。因數(shù)據(jù)太多我們選其一進行分析。質點的位移數(shù)據(jù)如下表表4 簡諧載荷作用下質點的位移由點的運動軌跡表明質點在做圓形和橢圓形的運動，這也驗證了我們先前的預測。所以我們得出結論給模型底端附近施加一個簡諧載荷，其頂端在做規(guī)則的圓形和橢圓形運動！4 超聲納米旋轉仿真4.1超聲納米旋轉仿真設備前面我們對圓柱進行了有限元分析，在此基礎上我們建立新的三維有限元模型超聲換能器的模型。此設備拍攝于南京航空航天大學實驗室設備，其實物圖如下圖15 超聲換能器實物圖圖示出了實驗中用于驅動單個銀納米線的旋轉裝置的結構尺寸。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，材質為不銹鋼，長度、寬度、厚度分別為30mm、30mm、3mm。將傳動梁固定在其中一個壓電板之上，如上圖中的一角。四個壓電環(huán)尺寸相同，外徑12 mm，內徑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，超出振動傳遞梁的部分為1.2 mm利用ANSYS有限元仿真軟件對其進行了有限元分析。分析了超聲轉向裝置的振動特性以及各種參數(shù)對裝置性能的影響。這些數(shù)據(jù)可以指導我們對微納米轉向裝置進行改進，為以后同樣類似的裝置提供一些可靠的模板進行設計。通過仿真可以得到，如果將振動傳輸梁的材料改為超聲換能器的普通材料或改變振動傳輸梁的結構尺寸，控制裝置的工作點(微控制探頭做橢圓運動的驅動電壓頻率)仍然存在。在設計這種控制裝置時，微控制探頭的長度lm和驅動電壓的頻率必須避開微控制探頭的諧振點。4.2超聲換能器的有限元分析利用超聲波方法對襯底上液膜中的銀納米線進行驅動，銀納米線做旋轉運動并不會使襯底振動。銀納米線可以圍繞其中心或一端旋轉，并且該旋轉中心與微操作探針的尖端重合。由于聲學的交叉性和多樣性，可以用來操控和旋轉各種納米結構。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 器件中各個結構材料的參數(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象所需的壓電常數(shù)，機電耦合系數(shù)為0.62，機械品質因數(shù)為500，介質損耗因數(shù)tan為0.6 %，密度為7450 kg / 。 在計算的過程中，都采用峰值為10v的正選驅動電壓。出了另外標注的，其他的都是一樣。下圖18則分別顯示了微型探針根部o點在x、y、z方向的振幅與驅動電壓頻率之間的關系。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果完全一致。圖19看出了金屬短板和振動傳輸梁在z方向的振動，其頻率為93kHz。然而，在實驗中，沒有器件驅動單個銀納米線以93 khz頻率旋轉的現(xiàn)象。圖19的這種情況可以很好地解釋原因，振動傳輸梁在寬度方向上的振動情況不均勻，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相位，導致微操縱探針尖端沒有橢圓運動，沒有旋轉聲渦流，也沒有單個銀納米線在液體中被驅動旋轉?？梢杂^察到，當驅動單個銀納米線旋轉時，施加的電壓的頻率為137 kHz。因此，可以得出結論，整個超聲裝置在正常工作時不處于共振狀態(tài)。圖18 微型操控探針根部 O 點在 X、Y、Z 方向的振動振幅與驅動電壓頻率的關系圖19 端板和振動傳遞梁在 93 kHz 時，Z 方向的振動情況為了更好地了解材料參數(shù)對裝置正常工作點頻率的影響，采用控制變量的方法研究了單個變量對工作頻率的影響，研究了振動傳遞梁的密度、楊氏模量和泊松比對工作頻率的影響，數(shù)據(jù)如下圖所示。（a）工作頻率與振動傳遞梁密度的關系(b) 工作頻率與振動傳遞梁楊氏模量的關系(c) 工作頻率與振動傳遞梁泊松比的關系圖20 振動傳遞梁的密度、楊氏模量和泊松比對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，也為我們后面的實驗提供了新思路。我們可以通過單一變量，來改變其它數(shù)據(jù)來得出不同的結果進行相互比較，從而得出一個契合的對象。通過選擇不同密度或楊氏模量的材料，在裝置中制作振動傳遞梁，從而調節(jié)裝置的正常工作頻率。來提升整個實驗的效率，也使數(shù)據(jù)更有說服力。4.3結果分析通過本章的內容，提出了驅動襯底上液膜中單個銀納米線旋轉的超聲操縱方法。通過有限元仿真分析，發(fā)現(xiàn)了用于驅動單個銀納米線旋轉的超聲轉向裝置的振動特性，以及裝置的各種參數(shù)對裝置工作性能的影響。這些數(shù)據(jù)和結果可以指導我們對超聲轉向裝置進行優(yōu)化和改進。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傳輸梁時，超聲波控制裝置仍能正常工作，通過改變材料參數(shù)可以調節(jié)裝置的正常工作頻率。安裝振動傳輸梁也很重要。為了有效地驅動振動傳遞梁，防止振動傳遞梁扭轉，應將振動傳遞梁固定在金屬端板的一個角上，并沿角平分線固定。最后，為了保證超聲轉向裝置的工作穩(wěn)定性，在設計超聲轉向裝置時，微轉向探頭的長度Lm和驅動電壓的頻率應避開微轉向探頭的諧振點。5 總結1. 介紹了國內外微納米研究的現(xiàn)狀，詳細介紹了微納材料的超聲捕獲、超聲聚集和超聲旋轉驅動技術。同時，總結了超聲控制微納材料的特點、優(yōu)缺點，從而引出本課題的研究目的、研究內容、研究方法和研究意義。2. 認真閱讀了以往發(fā)表的微納米物質超聲操控研究論文及相關材料，總結以往經驗。并根據(jù)相關的實驗數(shù)據(jù)我們可以大膽猜測分析對象的運動軌跡，然后進行試驗，由得出的實驗數(shù)據(jù)可以來反正猜測的結果，看其是否一致。若一致，則猜測結果正確，如不一致猜測結果錯誤。然后重新思考其中的錯誤點，可以增強自己的動手能力和開闊自己的知識面。3. 詳細的介紹了有限元的發(fā)展，并自學了分析有限元的軟件ANSYS。了解到在分析有限元時，需要注意的東西。更有效率的提升了實驗的速度。4. 設計了分析對象（圓柱）和超聲換能器，并對其進行了有限元分析。通過模態(tài)分析和諧響應分析得出了一些結論，有助于以后在實驗中的分析。不斷對實驗設備和儀器進行優(yōu)化，更好的服務社會和國家。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，在微分之路上走的更遠更長。參考文獻1楊愷. 納米顆粒在細胞膜表面的旋轉運動研究A. 中國化學會.中國化學會2016年軟物質理論計算與模擬會議論文摘要集C.中國化學會,2016. 2王曉飛. 液體中納米物質超聲操控裝置及其分析D.南京航空航天大學,2016. 3楊立新,趙楠.Ni納米線在旋轉磁場下的運動行為研究J.工程熱物理學報,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的應用J.硅谷,2014,7(23):107-108. 5聶少董. 基于梁振動原理的兩種超聲波電機結構的研究D.東北大學,2014. 6朱景春.超聲法合成納米材料的原理及應用進展J.科學技術創(chuàng)新,2018(07):188-189.7張一達,馬春陽,楊蕊,許秀英.超聲-電沉積Ni-TiN納米