【正文】 ro electromechanical system, MEMS)正走出實驗室，成為21世紀初的新興產(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)，形成具有新的競爭力的“智能軍火”。西方發(fā)達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、。而它們的實現(xiàn)必須借助各種微發(fā)動機、微慣導(dǎo)儀器、微傳感器、微執(zhí)行機構(gòu)。與傳統(tǒng)機械和結(jié)構(gòu)相比，MEMS的研制過程更具有設(shè)計與制造一體化的特征。目前，對MEMS的設(shè)計多還在器件水平。除了少數(shù)二維器件的設(shè)計外，多數(shù)設(shè)計借助于ANSYS等商品化軟件進行試湊；除了一些微加速度計的設(shè)計外，多數(shù)設(shè)計尚屬于結(jié)構(gòu)靜強度或機構(gòu)運動學(xué)范疇。可以預(yù)見，隨著MEMS的實用化，其動力學(xué)問題將日益引起人們的關(guān)注。例如，對于微發(fā)動機中的運動部件、微慣導(dǎo)儀器，必須從動力學(xué)角度去進行分析和設(shè)計。微機電系統(tǒng)動力學(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中，集成了限流元件、壓力傳感器、放大電路等。對其進行動力學(xué)模擬需要使用含計算流體力學(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。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的動力學(xué)研究中，處理10,000個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MEMS器件的尺度效應(yīng)研究主要針對強度、摩擦與潤滑等問題，很少針對動力學(xué)問題。已有實驗表明，對于基于共振或濾波原理的微傳感器，其工作頻率范圍達kHz或GHz, 會產(chǎn)生由于尺度引起的穩(wěn)定性問題。隨著尺度縮小，對于宏觀器件可忽略的失穩(wěn)變得突出。當器件尺度很小時，溫度、驅(qū)動功率、Brown運動、Johnson噪聲、光子、電子、吸收分子的波動等都影響噪聲特性，有可能限制超微傳感器的應(yīng)用.這些都是MEMS發(fā)展中需要認真解決的動力學(xué)問題。(3) 非線性動力學(xué)分析。MEMS中的非線性主要源于微機構(gòu)、微驅(qū)動器(如靜電電機)，例如柔性鉸產(chǎn)生的幾何大變形、摩擦等。目前，對非線性問題的研究主要采用ANSYS軟件進行非線性有限元建模和瞬態(tài)響應(yīng)數(shù)值模擬。幾乎未從非線性動力學(xué)的高度來研究非線性振動、動力穩(wěn)定性等問題。隨著微機構(gòu)和微驅(qū)動器實用化，轉(zhuǎn)速高達100000r/min的微馬達將投入使用，高速旋轉(zhuǎn)機械和機構(gòu)的動力學(xué)問題必將引起關(guān)注。(4) 納米機械的動力學(xué)模擬。當MEMS中器件的尺度小到納米量級時，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論的建模方法將失效。目前，對納米機械的設(shè)計尚處于探索階段，例如采用分子動力學(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，如不能計入量子效應(yīng)，計算規(guī)模還只能到上萬個粒子，難以對具有支鏈和環(huán)狀結(jié)構(gòu)的柔性分子進行模擬等。因此，有必要研究介于量子力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)之間的動力學(xué)，使之能用于納米器件的動態(tài)模擬和設(shè)計。4 與發(fā)達國家研究水平的對比　　近年來，我國學(xué)者在動力學(xué)、振動與控制的理論和方法研究方面取得了許多新進展，縮小了與國外先進研究水平的差距。例如，在分析動力學(xué)、多柔體動力學(xué)、非線性動力學(xué)、分岔和混沌動力學(xué)分析、非線性隨機振動、非線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)、非線性時滯系統(tǒng)動力學(xué)、振動主動控制等方面，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。在動力學(xué)、振動與控制的應(yīng)用研究方面，結(jié)合航天器、大型機械設(shè)備的設(shè)計、狀態(tài)監(jiān)測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)達國家相比，我國在動力學(xué)、振動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，如在微機電系統(tǒng)、納米元器件等新技術(shù)相關(guān)的動力學(xué)研究方面基本處于空白。因此，原創(chuàng)性研究少，不少項目以跟蹤性研究為主，有些項目甚至與國外已有研究相重復(fù)。(2) 大部分項目以理論和方法研究為主，以通過簡單算例驗證而告終，沒有形成工程化軟件。因此，在大型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)、車輛動力學(xué)等涉及真實工程系統(tǒng)的動力學(xué)分析和設(shè)計方面，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，除了作為重大項目資助的非線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究以外，沒有多少團隊層面上的研究計劃?！　‘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)費主要來自政府的各類基金，強度比較低，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)者投身于動力學(xué)、振動與控制研究。三是國家和各單位的現(xiàn)有科技評估政策比較有利于短期行為和單兵作戰(zhàn)。5 幾點建議和措施 基本對策　　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。動力學(xué)、振動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)中提取新的動力學(xué)、振動與控制問題，發(fā)展或吸收新的概念、方法及技術(shù)加以解決，從而不斷開拓動力學(xué)、振動與控制研究的范疇，而不是在新的科學(xué)問題里尋找傳統(tǒng)的動力學(xué)在哪里。應(yīng)進一步加強與航空、航天、機械、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力學(xué)、振動與控制研究中的主攻方向，發(fā)展戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)。 隊伍建設(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。就我國動力學(xué)、振動與控制研究的現(xiàn)狀而言，目前人才匱乏比實驗室設(shè)備落后更為緊迫。為培養(yǎng)并保持一支具有國際競爭力的研究隊伍，應(yīng)進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)域進行研究工作的學(xué)者。對于面上資助項目，在評審時或項目中期選擇有望取得重要進展的項目給予比較高強度的資助，允許項目組用五年左右的時間進行潛心研究，出重要成果。盡早出臺國家自然科學(xué)基金經(jīng)費用于人力費用的有關(guān)政策，在此基礎(chǔ)上提高研究生擔任助研的津貼，吸引優(yōu)秀本科生攻讀動力學(xué)、振動與控制學(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。 團隊性研究　　允許大學(xué)教授到國防科技研究機構(gòu)進行實質(zhì)性的兼職工作，從工程實踐中提煉動力學(xué)、振動與控制問題，然后組織跨部門、跨單位的團隊研究?！　》e極鼓勵大型研究機構(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)基金委員會設(shè)立聯(lián)合資助項目，針對國家的中長期科技發(fā)展需求，支持開發(fā)大型的動力學(xué)、振動與控制分析和設(shè)計軟件平臺?！　〖訌娡泵?、歐洲和日本等國一流學(xué)者的國際合作和交流，有計劃地邀請在海外留學(xué)和工作的優(yōu)秀華人青年學(xué)者回國進行交流和合作，為海內(nèi)外從事動力學(xué)、振動與控制研究的學(xué)者提供廣闊的合作空間?！　≈轮x 同濟大學(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