【正文】 ro electromechanical system, MEMS)正走出實(shí)驗(yàn)室，成為21世紀(jì)初的新興產(chǎn)業(yè)。僅從國防科技工業(yè)領(lǐng)域看，MEMS技術(shù)將用于各種微型武器系統(tǒng)，形成具有新的競(jìng)爭(zhēng)力的“智能軍火”。西方發(fā)達(dá)國家正在積極研制用于軍事目的的微型航空器、重量在1kg級(jí)、。而它們的實(shí)現(xiàn)必須借助各種微發(fā)動(dòng)機(jī)、微慣導(dǎo)儀器、微傳感器、微執(zhí)行機(jī)構(gòu)。與傳統(tǒng)機(jī)械和結(jié)構(gòu)相比，MEMS的研制過程更具有設(shè)計(jì)與制造一體化的特征。目前，對(duì)MEMS的設(shè)計(jì)多還在器件水平。除了少數(shù)二維器件的設(shè)計(jì)外，多數(shù)設(shè)計(jì)借助于ANSYS等商品化軟件進(jìn)行試湊；除了一些微加速度計(jì)的設(shè)計(jì)外，多數(shù)設(shè)計(jì)尚屬于結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度或機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)范疇?？梢灶A(yù)見，隨著MEMS的實(shí)用化，其動(dòng)力學(xué)問題將日益引起人們的關(guān)注。例如，對(duì)于微發(fā)動(dòng)機(jī)中的運(yùn)動(dòng)部件、微慣導(dǎo)儀器，必須從動(dòng)力學(xué)角度去進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方面的研究國內(nèi)外均起步不久，以下是若干值得注意的問題：(1) 多學(xué)科耦合的大規(guī)模動(dòng)力學(xué)模擬。許多MEMS包括了固體、流體、熱傳導(dǎo)、電磁、靜電等相互作用。例如，在微米尺度的流速計(jì)中，集成了限流元件、壓力傳感器、放大電路等。對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬需要使用含計(jì)算流體力學(xué)模塊的ANSYS有限元軟件包FOLTRAN和電網(wǎng)絡(luò)模擬軟件HSPICE，聯(lián)合解決多學(xué)科耦合的MEMS仿真與設(shè)計(jì)。僅從流體力學(xué)看，又可能包括自由表面和表面張力、非牛頓黏性流、非均勻多相流、懸浮流體、表面吸收和催化作用、混合、多介質(zhì)傳導(dǎo)、熱傳導(dǎo)和輻射等。因此，需要有適應(yīng)各種學(xué)科和各種，上述多學(xué)科耦合的數(shù)值模擬規(guī)模非常大。目前，MEMS的動(dòng)力學(xué)研究中，處理10,000個(gè)自由度的線性問題已屬常規(guī)，但更大規(guī)模的多學(xué)科耦合數(shù)值模擬還有許多困難。(2) 尺度效應(yīng)分析。目前，對(duì)MEMS器件的尺度效應(yīng)研究主要針對(duì)強(qiáng)度、摩擦與潤滑等問題，很少針對(duì)動(dòng)力學(xué)問題。已有實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于基于共振或?yàn)V波原理的微傳感器，其工作頻率范圍達(dá)kHz或GHz, 會(huì)產(chǎn)生由于尺度引起的穩(wěn)定性問題。隨著尺度縮小，對(duì)于宏觀器件可忽略的失穩(wěn)變得突出。當(dāng)器件尺度很小時(shí)，溫度、驅(qū)動(dòng)功率、Brown運(yùn)動(dòng)、Johnson噪聲、光子、電子、吸收分子的波動(dòng)等都影響噪聲特性，有可能限制超微傳感器的應(yīng)用.這些都是MEMS發(fā)展中需要認(rèn)真解決的動(dòng)力學(xué)問題。(3) 非線性動(dòng)力學(xué)分析。MEMS中的非線性主要源于微機(jī)構(gòu)、微驅(qū)動(dòng)器(如靜電電機(jī))，例如柔性鉸產(chǎn)生的幾何大變形、摩擦等。目前，對(duì)非線性問題的研究主要采用ANSYS軟件進(jìn)行非線性有限元建模和瞬態(tài)響應(yīng)數(shù)值模擬。幾乎未從非線性動(dòng)力學(xué)的高度來研究非線性振動(dòng)、動(dòng)力穩(wěn)定性等問題。隨著微機(jī)構(gòu)和微驅(qū)動(dòng)器實(shí)用化，轉(zhuǎn)速高達(dá)100000r/min的微馬達(dá)將投入使用，高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械和機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題必將引起關(guān)注。(4) 納米機(jī)械的動(dòng)力學(xué)模擬。當(dāng)MEMS中器件的尺度小到納米量級(jí)時(shí)，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的建模方法將失效。目前，對(duì)納米機(jī)械的設(shè)計(jì)尚處于探索階段，例如采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究納米齒輪的可行性。該方法引入了許多假設(shè)，從而有一系列局限性，如不能計(jì)入量子效應(yīng)，計(jì)算規(guī)模還只能到上萬個(gè)粒子，難以對(duì)具有支鏈和環(huán)狀結(jié)構(gòu)的柔性分子進(jìn)行模擬等。因此，有必要研究介于量子力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)之間的動(dòng)力學(xué)，使之能用于納米器件的動(dòng)態(tài)模擬和設(shè)計(jì)。4 與發(fā)達(dá)國家研究水平的對(duì)比　　近年來，我國學(xué)者在動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制的理論和方法研究方面取得了許多新進(jìn)展，縮小了與國外先進(jìn)研究水平的差距。例如，在分析動(dòng)力學(xué)、多柔體動(dòng)力學(xué)、非線性動(dòng)力學(xué)、分岔和混沌動(dòng)力學(xué)分析、非線性隨機(jī)振動(dòng)、非線性轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、非線性時(shí)滯系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)主動(dòng)控制等方面，我國學(xué)者的研究與國外同行日趨同步，在SCI源期刊上發(fā)表了一批高水平的論文，出版了多部學(xué)術(shù)著作，部分研究工作具有鮮明的特色。在動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制的應(yīng)用研究方面，結(jié)合航天器、大型機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷等開展了許多研究工作，解決了若干工程問題。與發(fā)達(dá)國家相比，我國在動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制方面的研究存在以下不足：(1) 較少涉足全新的領(lǐng)域，如在微機(jī)電系統(tǒng)、納米元器件等新技術(shù)相關(guān)的動(dòng)力學(xué)研究方面基本處于空白。因此，原創(chuàng)性研究少，不少項(xiàng)目以跟蹤性研究為主，有些項(xiàng)目甚至與國外已有研究相重復(fù)。(2) 大部分項(xiàng)目以理論和方法研究為主，以通過簡(jiǎn)單算例驗(yàn)證而告終，沒有形成工程化軟件。因此，在大型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、車輛動(dòng)力學(xué)等涉及真實(shí)工程系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析和設(shè)計(jì)方面，我國學(xué)者提出的方法未能得到應(yīng)用，缺少具有自主版權(quán)的大型工程化軟件。(3) 研究力量比較分散，除了作為重大項(xiàng)目資助的非線性轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究以外，沒有多少團(tuán)隊(duì)層面上的研究計(jì)劃?！　‘a(chǎn)生上述問題的主要原因有三。一是國家的工業(yè)基礎(chǔ)比較薄弱，工業(yè)界自身的研究與發(fā)展能力弱，提出的原始問題少。二是現(xiàn)有研究經(jīng)費(fèi)主要來自政府的各類基金，強(qiáng)度比較低，難以支持開發(fā)工程化軟件，也難以吸引優(yōu)秀的研究生和青年學(xué)者投身于動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制研究。三是國家和各單位的現(xiàn)有科技評(píng)估政策比較有利于短期行為和單兵作戰(zhàn)。5 幾點(diǎn)建議和措施 基本對(duì)策　　在上述研究前沿，目前北美居于領(lǐng)先地位，歐洲、日本已處于轉(zhuǎn)變之中。國內(nèi)青年學(xué)者的部分研究工作已轉(zhuǎn)到新的方向，需要緊緊跟上這種轉(zhuǎn)變。動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制的重要性及意義在于它是解決工程科學(xué)問題的基礎(chǔ)之一。應(yīng)從工程科學(xué)中提取新的動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制問題，發(fā)展或吸收新的概念、方法及技術(shù)加以解決，從而不斷開拓動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制研究的范疇，而不是在新的科學(xué)問題里尋找傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)在哪里。應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)與航空、航天、機(jī)械、車輛等工程學(xué)科的結(jié)合，密切與數(shù)學(xué)和物理等學(xué)科的聯(lián)系，盡快調(diào)整好研究方向的布局。充分發(fā)揮專家的作用，以科學(xué)、民主的程序確立我國在動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制研究中的主攻方向，發(fā)展戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)。 隊(duì)伍建設(shè)　　創(chuàng)造性的研究工作需要高水平的研究人才，而高水平的研究人才需要在從事創(chuàng)造性的研究工作中培養(yǎng)和鍛煉。就我國動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制研究的現(xiàn)狀而言，目前人才匱乏比實(shí)驗(yàn)室設(shè)備落后更為緊迫。為培養(yǎng)并保持一支具有國際競(jìng)爭(zhēng)力的研究隊(duì)伍，應(yīng)進(jìn)一步向新興交叉前沿學(xué)科傾斜，持續(xù)的資助一批在國際前沿領(lǐng)域進(jìn)行研究工作的學(xué)者。對(duì)于面上資助項(xiàng)目，在評(píng)審時(shí)或項(xiàng)目中期選擇有望取得重要進(jìn)展的項(xiàng)目給予比較高強(qiáng)度的資助，允許項(xiàng)目組用五年左右的時(shí)間進(jìn)行潛心研究，出重要成果。盡早出臺(tái)國家自然科學(xué)基金經(jīng)費(fèi)用于人力費(fèi)用的有關(guān)政策，在此基礎(chǔ)上提高研究生擔(dān)任助研的津貼，吸引優(yōu)秀本科生攻讀動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制學(xué)科的碩士生、博士生。除更多地吸引人才外，現(xiàn)有中青年學(xué)者的基本功訓(xùn)練和學(xué)風(fēng)培養(yǎng)同樣尤為重要。 團(tuán)隊(duì)性研究　　允許大學(xué)教授到國防科技研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的兼職工作，從工程實(shí)踐中提煉動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制問題，然后組織跨部門、跨單位的團(tuán)隊(duì)研究?！　》e極鼓勵(lì)大型研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)像中國工程物理研究院一樣與國家自然科學(xué)基金委員會(huì)設(shè)立聯(lián)合資助項(xiàng)目，針對(duì)國家的中長(zhǎng)期科技發(fā)展需求，支持開發(fā)大型的動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制分析和設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)。　　加強(qiáng)同北美、歐洲和日本等國一流學(xué)者的國際合作和交流，有計(jì)劃地邀請(qǐng)?jiān)诤Ｍ饬魧W(xué)和工作的優(yōu)秀華人青年學(xué)者回國進(jìn)行交流和合作，為海內(nèi)外從事動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)與控制研究的學(xué)者提供廣闊的合作空間?！　≈轮x 同濟(jì)大學(xué)徐鑒教授，北京大學(xué)劉才山副教授為本文提供了部分素材，在此一并致謝。 ※ 來源:瀚海星云 [分類討論區(qū)][全部討論區(qū)][上一篇][本討論區(qū)][下一篇][同主題閱讀] 15 / 15