CN102254058A - 钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法 - Google Patents

钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于角速率陀螺技术领域，其目的是为了克服经验判断法和试凑法设计的钟形振子式角速率陀螺振子的研发成本高、研制周期长等缺点。该方法包括下列步骤：(1)对钟形振子的结构进行有限元建模；(2)通过有限元方法对钟形振子的振动特性进行研究，分析出钟形振子的固有振动频率和相关振型；(3)总结出钟形振子各结构参数对钟形振子频率影响的规律；(4)选取最优结果，给出钟形振子合理的结构参数。本发明采用有限元分析方法取代了传统的经验判断和试凑法，提高了验证分析的能力和准确性，而且大大的缩短了钟形振子的设计周期，从而缩短了整个钟形振子式角速率陀螺开发的时间，为钟形振子式角速率陀螺的合理设计提供了依据。

Description

钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法
技术领域
本发明属于角速率陀螺技术领域，具体涉及一种钟形振子式角速率陀螺的振子结构设计方法。
背景技术
陀螺作为敏感载体角运动的惯性器件，是惯性导航、制导的核心部件。基于哥氏力原理的振动陀螺具有所有的惯性品质，其在惯性技术领域的地位越来越重要，已被人们当作新一代的惯性仪表受到广泛的关注。在科学技术发展和市场需求的推动下，各种振动陀螺相继出现。
申请号为：201010215745.1，发明名称为：钟形振子式角速率陀螺的专利申请提供了一种钟形振子式角速率陀螺，该钟形振子式角速率陀螺是一种基于哥氏力原理的振动陀螺，其敏感器件采用熔融石英材料的钟形谐振子。目前，基于该钟形振子式角速率陀螺的振子设计，是依靠经验判断法和试凑法得来的，这两种方法研发成本高，研制周期长。
发明内容
本发明的目的是为了克服经验判断法和试凑法设计的钟形振子式角速率陀螺振子的研发成本高、研制周期长等缺点，提供一种钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法，该方法缩短了钟形振子的设计周期，从而缩短了整个钟形振子式角速率陀螺的开发时间。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法，包括以下步骤：
步骤1，建立钟形振子的有限元模型；
步骤2，对钟形振子的振动特性进行分析，得到钟形振子的固有振动频率和相关振型；通过低阶模态有限元分析方法得到钟形振子的固有频率及其振型，选取四波腹振型对应的频率作为钟形振子的激励频率，对钟形振子进行激励，得到有效的四波腹振型；
步骤3，提取钟形振子的结构参数，得到钟形振子的各参数对钟形振子固有频率的影响规律；
步骤4，根据钟形振子的各参数对钟形振子固有频率的影响规律，优化钟形振子的结构参数，获得钟形振子结构的设计参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法利用有限元分析方法得到钟形振子的振动特性，为钟形振子敏感信号的提取奠定了基础；
(2)本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法提高了验证分析能力和准确性，为钟形振子的合理设计提供了依据；
(3)本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法通过有限元分析方法得到钟形振子的相关特性，从而优化了钟形振子式角速率陀螺振子的设计方案，提高了钟形振子制作的成功率，节约了产品材料；
(4)本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法可以得到指导设计的有效分析数据，方便设计人员总结出结构设计的经验，从而归纳形成设计的规范和标准。
附图说明
图1为钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法流程图；
图2为钟形振子参数示意图；
图3为钟形振子俯视图；
图4为钟形振子有限元模型前视图；
图5为钟形振子有限元模型仰视图；
图6为钟形振子左右晃动振型前视图；
图7为钟形振子左右晃动振型仰视图；
图8为钟形振子倾斜晃动振型前视图；
图9为钟形振子倾斜晃动振型仰视图；
图10为钟形振子上下晃动振型前视图；
图11为钟形振子上下晃动振型仰视图；
图12为钟形振子四波腹振型前视图；
图13为钟形振子四波腹振型仰视图；
图14为钟形振子旋转振型前视图；
图15为钟形振子旋转振型仰视图；
图16为钟形振子六波腹振型前视图；
图17为钟形振子六波腹振型仰视图；
图18(a)～18(h)为钟形振子各结构参数与四波腹振型振动频率间的关系图。
具体实施方式
钟形振子式角速率陀螺的原理是利用发生谐振的钟形振子旋转时引起的振型角度的进动，来确定陀螺基座绕惯性空间旋转的角度。为使钟形振子能产生环向波数n＝2的理想振型，必须准确地控制钟形振子的激振频率，而这一频率正是钟形振子在该振型下的固有频率，因此我们就要对钟形振子的结构进行合理设计，使得到的钟形振子能产生理想振型。
根据振动理论可知，钟形振子固有频率和振型只与钟形振子的刚度特性和质量分布有关，因此，可利用有限元分析方法得到钟形振子的固有频率和振型。
本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法的流程如图1所示，具体如下：
步骤1，建立钟形振子的有限元模型；
钟形振子的参数示意图如图2所示，钟形振子的俯视图如图3所示，钟形振子的有限元模型前视图如图4所示，钟形振子有限元模型仰视图如图5所示。
步骤2，对钟形振子的振动特性进行分析，得到钟形振子的固有振动频率和相关振型；通过低阶模态有限元分析方法得到钟形振子的固有频率及其振型，选取四波腹振型对应的频率作为钟形振子的激励频率，对钟形振子进行激励，得到有效的四波腹振型；
以钟形振子的激励频率范围为5KHz～10KHz、模态阶数为1～8阶为例，钟形振子在振动过程中，8阶模态主要会产生左右晃动振型，如图6、7所示；倾斜振型，如图8、9所示；上下晃动振型如图10、11所示；四波腹振型如图12、13所示；旋转振型，如图14、15所示；六波腹振型，如图16、17所示。
步骤3，提取钟形振子的结构参数，得到各钟形振子的参数对钟形振子固有频率的影响规律；
如图2、3所示，钟形振子主体有三个主要厚度：边缘厚度D1、主体厚度D2和顶部厚度HD；钟形振子顶部开有八个半径为R5的圆孔(顶部圆孔)，且均匀分布在半径为R4、原点为钟形振子水平中心的圆(顶部圆孔所在圆)上；钟形振子内半径为R1，外半径为R3，钟形振子高度为L2，钟形振子边缘高度为L1。提取钟形振子的上述参数值，选定钟形振子的参数变化范围和仿真步长，采用有限元分析方法对钟形振子的各参数进行分析，得到钟形振子的各参数对钟形振子固有频率的影响规律。
以钟形振子体积为25mm×30mm×25mm为例，得到钟形振子的各参数对钟形振子固有频率的影响规律，具体如下：
(1)当钟形振子的边缘厚度D1在1mm～1.9mm范围内时，其四波腹振动频率随着D1的增大而增大；当D1＝1.6mm时，钟形振子的四波腹振型的模态阶数发生移动，从四阶、五阶模态转移到了五阶、六阶模态，此时钟形振子的四波腹振型的振动频率接近相邻阶次的振动频率；
(2)当钟形振子的顶部厚度HD在0.6mm～1.5mm范围内时，其四波腹振动频率随着HD的增大而增大；当HD＝1.2mm时，钟形振子的四波腹振型的模态阶数发生移动，从四阶、五阶模态转移到了三阶、四阶模态，此时钟形振子的四波腹振动频率接近相邻阶次的振动频率；
(3)当钟形振子内半径R1在10.4mm～12.2mm范围内时，其四波腹振动频率随着R1的增大而减小；
(4)当钟形振子外半径R3在11.4mm～13.2mm范围内时，其四波腹振动频率随着R3的增大而增大；当R3＝12.8mm时，钟形振子的四波腹振型的模态阶数发生移动，从四阶、五阶模态转移到了五阶、六阶模态，此时钟形振子的四波腹振动频率接近相邻阶次的振动频率；
(5)当钟形振子的顶部圆孔所在圆半径R4在7.8mm～8.7mm范围内时，其四波腹振动频率随着R4的增大而增大，振动频率变化了12.5073Hz；
(6)当钟形振子的顶部圆孔半径R5在1.6mm～2.5mm范围内时，其四波腹振动频率随着R5的增大而减小，振动频率变化了16.4968Hz；当R5＝2.3mm时，钟形振子四波腹振型的模态阶数发生移动，从四阶、五阶模态转移到了五阶、六阶模态，此时钟形振子的四波腹振动频率接近相邻阶次的振动频率；
(7)当钟形振子的高度L2和钟形振子边缘高度L1在9.5mm～14.0mm范围内时，其四波腹振动频率随着L1的增大而增大、随着L2的增大而减小。
步骤4，根据钟形振子的各参数对钟形振子固有频率的影响规律，优化钟形振子的结构参数，获得钟形振子结构的设计参数。
在图18(a)至图18(h)，均绘制有三条曲线，其中主频率曲线的数值是将产生四波腹振型的两阶模态的频率值取平均；上一阶曲线的数值是产生四波腹振型前一阶次的振动频率；同理，下一阶曲线的数值是产生四波腹振型后一阶次的振动频率。
在进行钟形振子参数的选取上，应该考虑固有频率与其相邻频率的频率差，因为这个差值直接影响到钟形振子振型的稳定情况，如果频率相差太近，容易激发出相邻阶模态的振型，影响四波腹振型的稳定性。同时，要选取利于加工工艺的参数。
同样以钟形振子体积为25mm×30mm×25mm为例，对钟形振子参数进行选择过程如下：
1)钟形振子的边缘厚度D1：从图18(a)中可以看出，当D1＝1.3mm时，钟形振子的四波腹振动频率远离相邻阶次的振动频率，当D1＝1.9mm时，虽然四波腹振动频率也远离其相邻阶次的振动频率，但其所需激励的频率大于前者，而偏差相较前者略小，所示选取边缘厚度D1为1.3mm；
2)钟形振子的顶部厚度HD：从图18(b)中可以看出，HD＝0.7mm和HD＝1.5mm均符合条件，但是在相同条件下，材料越厚，所需的激励力越大，故选取顶部厚度HD为0.7mm；
3)钟形振子内半径R1：从图18(c)中可以看出，R1在给定的范围内，固有频率均远离相邻阶次的振动频率，且差值无太大变化，但考虑到钟形振子的边缘厚度D1的值、顶部厚度HD的值选定时的激励频率均为6KHz以上，所以选取钟形振子内半径R1为11.4mm；
4)同理，如图18(d)所示，可选取：钟形振子外半径R3为11.8mm；如图18(h)所示，可选取：钟形振子高度L2为19mm；如图18(g)所示，可选取：钟形振子边缘高度L1为11mm；
5)钟形振子顶部圆孔所在圆半径R4：从图18(e)中可以看出，四波腹振动频率与上一阶频率的偏差随着R4的增加而增加，与下一阶频率的偏差随着R4的增大而减小，兼顾其他钟形振子的参数，故选取钟形振子顶部圆孔所在圆半径R4为8.7mm；
6)钟形振子顶部圆孔半径R5：从图18(f)中可以看出，如若单纯考虑频率差，R5＝1.6mm即为最佳值，但考虑到顶部圆孔半径越小，顶部圆孔之间的间隙就越大，所需的激励力就越大，所以选取顶部圆孔半径R5为2mm。
由此，得到钟形振子结构的设计参数，从而完成钟形振子角速率陀螺的振子结构设计。
本发明提供的钟形振子角速率陀螺的振子结构设计方法，节约了钟形振子的研发成本、缩短了钟形振子的设计周期。

Claims (3)

1.钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1，建立钟形振子的有限元模型；
步骤2，对钟形振子的振动特性进行分析，得到振子的固有振动频率和相关振型；通过低阶模态有限元分析方法得到钟形振子的固有频率及其振型，选取四波腹振型对应的频率作为钟形振子的激励频率，对钟形振子进行激励，得到有效的四波腹振型；
步骤3，提取钟形振子的结构参数，得到钟形振子的各参数对钟形振子固有频率的影响规律；
步骤4，根据钟形振子的各参数对钟形振子固有频率的影响规律，优化钟形振子的结构参数，获得钟形振子结构的设计参数。
2.根据权利要求1所述的钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法，其特征在于：所述的步骤3中当钟形振子体积为25mm×30mm×25mm时，得到的钟形振子的各参数对钟形振子固有频率的影响规律为：
(1)当钟形振子的边缘厚度D1在1mm～1.9mm范围内时，其四波腹振动频率随着D1的增大而增大；当D1＝1.6mm时，钟形振子的四波腹振型的模态阶数发生移动，从四阶、五阶模态转移到了五阶、六阶模态，此时钟形振子的四波腹振型的振动频率接近相邻阶次的振动频率；
(2)当钟形振子的顶部厚度HD在0.6mm～1.5mm范围内时，其四波腹振动频率随着HD的增大而增大；当HD＝1.2mm时，钟形振子的四波腹振型的模态阶数发生移动，从四阶、五阶模态转移到了三阶、四阶模态，此时钟形振子的四波腹振动频率接近相邻阶次的振动频率；
(3)当钟形振子内半径R1在10.4mm～12.2mm范围内时，其四波腹振动频率随着R1的增大而减小；
(4)当钟形振子外半径R3在11.4mm～13.2mm范围内时，其四波腹振动频率随着R3的增大而增大；当R3＝12.8mm时，钟形振子的四波腹振型的模态阶数发生移动，从四阶、五阶模态转移到了五阶、六阶模态，此时钟形振子的四波腹振动频率接近相邻阶次的振动频率；
(5)当钟形振子的顶部圆孔所在圆半径R4在7.8mm～8.7mm范围内时，其四波腹振动频率随着R4的增大而增大，振动频率变化了12.5073Hz；
(6)当钟形振子的顶部圆孔半径R5在1.6mm～2.5mm范围内时，其四波腹振动频率随着R5的增大而减小，振动频率变化了16.4968Hz；当R5＝2.3mm时，钟形振子四波腹振型的模态阶数发生移动，从四阶、五阶模态转移到了五阶、六阶模态，此时钟形振子的四波腹振动频率接近相邻阶次的振动频率；
(7)当钟形振子的高度L2和边缘高度L1在9.5mm～14.0mm范围内时，其四波腹振动频率随着L1的增大而增大、随着L2的增大而减小。
3.根据权利要求2所述的钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法，其特征在于：所述的步骤4中对钟形振子参数进行选择过程如下：
(1)钟形振子的边缘厚度D1：当D1＝1.3mm时，钟形振子的四波腹振动频率远离相邻阶次的振动频率，当D1＝1.9mm时，虽然四波腹振动频率也远离其相邻阶次的振动频率，但其所需激励的频率大于前者，而偏差相较前者略小，所示选取边缘厚度D1为1.3mm；
(2)钟形振子的顶部厚度HD：HD＝0.7mm和HD＝1.5mm均符合条件，但是在相同条件下，材料越厚，所需的激励力越大，故选取顶部厚度HD为0.7mm；
(3)钟形振子内半径R1：R1在给定的范围内，固有频率均远离相邻阶次的振动频率，且差值无太大变化，但考虑到钟形振子的边缘厚度D1的值、顶部厚度HD的值选定时的激励频率均为6KHz以上，所以选取钟形振子内半径R1为11.4mm；
(4)选取钟形振子外半径R3为11.8mm；钟形振子高度L2为19mm；钟形振子边缘高度L1为11mm；
(5)钟形振子顶部圆孔所在圆半径R4：四波腹振动频率与上一阶频率的偏差随着R4的增加而增加，与下一阶频率的偏差随着R4的增大而减小，兼顾其他钟形振子的参数，故选取钟形振子顶部圆孔所在圆半径R4为8.7mm；
(6)钟形振子顶部圆孔半径R5：如若单纯考虑频率差，R5＝1.6mm即为最佳值，但考虑到顶部圆孔半径越小，顶部圆孔之间的间隙就越大，所需的激励力就越大，所以选取顶部圆孔半径R5为2mm。
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