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《北京科技大学》 2006年
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多学科设计优化及在MEMS设计中应用的研究

俞必强  
【摘要】: 微机电系统(MEMS)是涉及微电子学、微机械学、微流体学等多个学科领域内容的复杂系统,具有多学科、多物理域交叉耦合的特点,为其产品的设计带来了较大的难度。针对这一问题,将多学科设计优化(MDO)方法应用到MEMS的设计之中,研究面向非层级复杂系统的多学科变量耦合优化设计方法,并将其应用于微机械加速度计的优化设计之中。本课题的研究对于微机电系统等多学科复杂系统的设计和优化具有较大的理论研究意义和应用前景。 本文的研究工作主要包括以下几个方面: 1.分析了微机电系统在设计中面临的问题,基于多学科设计优化方法在复杂系统优化设计上的优势,提出了将多学科设计优化方法引入到微机电系统的设计之中,构建了微机电系统的多学科设计优化系统(MMDOS)框架,提出了系统的组成和各部分工作原理。针对层级系统、非层级系统和混合层级系统提出了多学科层级兼容、多学科变量耦合、多学科目标兼容和多学科混合协调等四种优化策略。 2.研究了面向非层级复杂系统的多学科变量耦合优化设计方法,提出了系统分解、子系统优化模型建立、构造耦合函数以及系统级协调的方法。通过设置理想耦合点,构造耦合函数,使子系统在各自独立优化设计的同时,在系统级的协调下达到耦合关系的满足,并使系统得到总体上的优化。并在此基础上,研制了相应的算法MVCDO。 3.以典型的MEMS产品——微机械加速度计为对象,对微加速度计中结构粘附失效问题进行研究,得出了判断微加速度计结构粘附程度的剥离数的数学表达式。在对梳齿式和扭摆式微加速度计各学科的设计要素和耦合关系进行分析的基础上,建立了多学科设计优化模型,应用多学科变量耦合优化方法进行优化设计,提高了微加速度计的性能,对所提出的多学科变量耦合优化方法和研制的MVCDO算法进行了验证。 本论文的研究成果具有理论意义和实际应用价值。
【学位授予单位】:北京科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TH703

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