Інформаційне та математичне забезпечення САПР гідравлічних мікроелектромеханічних систем

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розв’язку важливої наукової задачі – розробці математичного, інформаційного та лінгвістичного забезпечення для систем автоматизованого проектування гідравлічних мікроелектромеханічних систем. В дисертації розроблено математичну модель рідинного термоактюатора для компонентного рівня автоматизованого проектування, яка вперше використовує рівняння Ван-дер-Ваальса для визначення тиску газо-рідинної суміші на пружний елемент мікропристрою, що дозволило підвищити ефективність та точність вихідних результатів. Вдосконалено математичні моделі мікропомп з п’єзоелектричним та електростатичним приводами, які використовують рівняння в часткових похідних для визначення прогину та напружень в тонкій мембрані, що дозволило визначити вихідні параметри з різним конструктивним виконанням пружного елемента. Розроблено інформаційне та лінгвістичне забезпечення, які складаються з структури даних та формату опису конструкцій мікрогідравлічних пристроїв, що дозволило вдосконалити бібліотеку математичних моделей та розширити функціональні можливості БД САПР за допомогою використання XML-формату. Математичні моделі, бібліотека математичних моделей та структури даних використано в розробленому програмно-методичному комплексі «МікроГС», що підвищило ефективність автоматизованого проектування мікрогідравлічних пристроїв.Диссертационная работа посвящена решению важной научной задачи – разработке математического, информационного и лингвистического обеспечения для систем автоматизированного проектирования гидравлических микроэлектро-механических систем. В диссертации разработана математическая модель жидкостного термоактюатора для компонентного уровня автоматизированного проектирования, которая впервые использует уравнение Ван-дер-Ваальса для определения давления газо-жидкостной смеси на упругий элемент микроустройства, повысило эффективность и точность исходных результатов. Усовершенствованы математические модели микропомп с пьезоэлектрическим и электростатическим приводами, которые используют уравнения в частичных производных для определения деформаций и напряжений в тонкой мембране, что позволило определить исходные параметры с разным конструктивным выполнением упругого элемента. Разработаны информационное и лингвистическое обеспечения, которые состоят из структуры данных и формата описания конструкций микро-гидравлических устройств, что усовершенствовало библиотеку математических моделей и расширить функциональные возможности БД САПР с помощью использования XML-формата. Математические модели, библиотека математических моделей и структуры данных используются в разработанном программно-методическом комплексе «МікроГС», что повысило эффективность автоматизированного проектирования микрогидравлических устройств.he thesis presents the decision of the important scientific task – the development of mathematical, information and linguistic support methods and software tools for the computer-aided design (CAD) systems in the domain of hydraulic micro-electromechanical systems. The thesis describes analysis of hydraulic microelectromechanical systems components and software systems for their design and development. The analysis allowed both conducting of components classification to determine the essential components of hydraulic microelectromechanical systems and definining the basic shortcomings of the existing software tools and design methods. The thesis presents the developed mathematical model of thermoliquid actuators that uses Van der Waals’ equation for the first time to determin the pressure of gas and liquid mixture on the membrane and biharmonical equations to determine the bending of the membrane with the following use of the finite elements method that allowes increasing the efficiency of design. To determine the distribution of the temperature the heat conductivity equation is used. During solving the abovementioned equations in the partial derivatives with the proper initial and border conditions the finite differences method is used. This allowed taking into account unstationary processes and getting initial parameters with the higher exactness. The mathematical models of micropump with electrostatic and piezoelectric drives are designed for automated design on the component level which utilizes the theory of the thin plates. This allowed defining the devices initial parameters with different structural implementation of resilient component. The data structure for geometrical parameter specification is designed as well as physical and mechanical properties of constructions materials of microhydraulic devices which consists of the following fields: geometrical sizes, physical properties of material, description of constructions that allows to broad the functional possibilities of database of the microelectromechanical systems CAD’s structures and increase the efficiency of handling the mathematical models library. The library of mathematical models of the microhydraulic systems is improved for the threeleveled automated design which differs from the existing ones by possibility of creation the single information model of object that gives the possibility of using the mathematical models of different complication and simplify modification of information model of object. The developed format of description of constructions of the microhydraulic systems and the language of description of mathematical models are used for realization of the information and linguistic software of the system for the design of hydraulic microelectromechanical systems «MicroHS». The developed mathematical, information and linguistic software of hydraulic microelectromechanical systems computer-aided design is used for design and development in the «MicroHS» system.