CN114636410B - 一种变壁厚伞形半球谐振子及半球谐振陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种变壁厚伞形半球谐振子及半球谐振陀螺，主要解决现有谐振子电容有效面积较小、抗过载性能较差的问题。该变壁厚伞形半球谐振子包括谐振子壳体和支撑杆；所述支撑杆设置在谐振子壳体内部，且其顶端与谐振子壳体的壳体内壁中心通过光滑曲面连接；所述谐振子壳体的壳体内壁呈半球面形状，壳体外壁为一个回转曲面，使得谐振子壳体的壳体厚度h(θ)随着θ变化，谐振子壳体的壳体厚度h(θ)值随着θ先减小后增大。本发明半球谐振陀螺包括平面电极基板以及上述变壁厚伞形半球谐振子；平面电极基板的中心设置有支撑杆安装孔，支撑杆底端嵌入支撑杆安装孔内，与平面电极基板连接。
Description
技术领域
本发明属于半球谐振陀螺领域，具体涉及一种变壁厚伞形半球谐振子及半球谐振陀螺。
背景技术
半球谐振陀螺是一种利用半球谐振子振动驻波沿环向的进动来测量外壳旋转的无转子式振动陀螺，其核心结构为半球谐振子。为了提高半球谐振陀螺的精度，半球谐振子通常由高品质因数的高纯熔融石英材料制成，并封装在真空环境中，从而降低谐振子在稳定工作时的能量损耗，并且由于其结构简单、体积小、精度高、重量轻、功耗低、可靠性高和环境适应性好等特点，可广泛应用于航空、航天及航海等领域。
传统半球谐振陀螺主要包括三种构型：三件套内外电极构型、两件套球面电极构型和两件套平面电极构型。特别是两件套平面电极构型，半球谐振子通常呈“伞形”，并将激励电极与读出电极合二为一，摆脱了“激励罩”部件的使用。该设计不仅减少了陀螺组件的零件数量，而且降低了零件加工工艺难度，简化了电极制造以及谐振子、电极的装配问题，因此得以广泛应用。
在实践过程中，对于两件套平面电极构型的“伞形”半球谐振子，由于仅利用了半球谐振子的唇沿面积，平板电极形成的电容有效面积大幅降低，这不利于电极及控制电路的设计；另一方面，目前对“伞形”半球谐振子设计的研究不足，特别是在高过载环境下(过载载荷高达104g以上，g为重力加速度)，容易发生结构失效，使得其抗过载性能较差。
发明内容
为了解决现有谐振子电容有效面积较小、抗过载性能较差的问题，本发明提出了一种变壁厚伞形半球谐振子及半球谐振陀螺。本发明对伞形半球谐振子的结构进行优化，不仅可以增加谐振子电容的有效面积，并且能够避免其在高过载环境下发生结构失效问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明变壁厚伞形半球谐振子包括谐振子壳体和支撑杆；所述支撑杆设置在谐振子壳体内部，且其顶端与谐振子壳体的壳体内壁中心通过光滑曲面连接；所述谐振子壳体的壳体内壁呈半球面形状，壳体外壁为一个回转曲面，使得谐振子壳体的壳体厚度h(θ)随着θ变化，谐振子壳体的壳体厚度h(θ)值随着θ先减小后增大，其中，θ为壳体外壁上任意位置在极坐标下的转角，0≤θ≤π/2；当θ＝0时，壳体厚度保证有足够面积进行金属化镀膜，并与平面电极基板的平面电极形成高效的电容；随着θ的增加，壳体厚度h(θ)不断减小，以降低变壁厚伞形半球谐振子的二阶弯曲频率；当θ接近π/2时，壳体厚度h(θ)增大，以抵抗高过载环境下应力波的冲击破坏。
进一步地，所述谐振子壳体的厚度h(θ)的具体表达式为，
其中，ak为与变壁厚伞形半球谐振子二阶弯曲频率相关的设计参数，k＝0,1,2,3…。
进一步地，所述谐振子壳体的壳体内壁以及唇沿边缘进行高精度金属镀膜处理。
进一步地，所述支撑杆与谐振子壳体通过圆角为R1的光滑曲面连接，R1的数值在0.1R0～0.35R0之间，所述支撑杆直径d1的数值在0.5R0～0.8R0之间。
进一步地，所述支撑杆的底端设置有与平面电极基板连接的安装段，所述安装段直径d2的数值在(d1-1)mm～(d1-4)mm之间。
本发明半球谐振陀螺包括平面电极基板以及上述变壁厚伞形半球谐振子；所述平面电极基板的中心设置有支撑杆安装孔，所述支撑杆底端嵌入支撑杆安装孔内，与平面电极基板连接；所述平面电极基板的上表面设置有多个平面电极；所述平面电极与唇沿底部设置有间隙。
进一步地，所述变壁厚伞形半球谐振子和平面电极基板封装在金属罩中，所述金属罩内部为真空状态。
进一步地，所述支撑杆与平面电极基板通过铟焊的方式连接。
进一步地，所述平面电极以支撑杆安装孔为圆心呈中心对称分布，包括依次间隔设置的激励电极和检测电极，相邻平面电极之间进行信号隔离处理。
进一步地，所述述平面电极为16个，包括8个激励电极和8个测量电极。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提出了一种变壁厚伞形半球谐振子及半球谐振陀螺，目标在于通过设计半球谐振子壁厚h(θ)、支撑杆以及对应平面电极基板，从而增大电容有效面积，获得最优的伞形半球谐振子设计方案，控制半球谐振子二阶弯曲频率(如4000Hz～6000Hz等)，增加相邻谐振频率与二阶谐振频率的频率差(如1500Hz以上)，克服现有半球谐振陀螺抗过载性能的缺陷，并使半球谐振子结构和基板结构能够抵抗过载载荷为104g冲击作用。
附图说明
图1为本发明半球谐振陀螺的结构示意图；
图2为本发明半球谐振陀螺的剖视图；
图3为本发明变壁厚伞形半球谐振得到结构示意图；
图4为本发明平面电极基板的结构示意图；
图5为本发明半球谐振陀螺的参数标注示意图；
图6为本发明变壁厚伞形半球谐振的参数优化流程图。
附图标记：1-变壁厚伞形半球谐振子，2-平面电极基板，11-谐振子壳体，12-支撑杆，111-唇沿，112-壳体内壁，113-壳体外壁，114-中心位置，121-安装段，21-支撑杆安装孔，22-平面电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
如图1至图5所示，本发明变壁厚伞形半球谐振子包含谐振子壳体11和支撑杆12；支撑杆12设置在谐振子壳体11内部，且与谐振子壳体11的壳体内壁112中心通过光滑曲面连接。对于伞形半球谐振子，谐振子壳体11的壳体内壁112呈半球面形状(球面中心位置为中心位置114，半径R0为常值，可根据设计要求改变)，壳体外壁113为一个回转曲面，使得谐振子壳体11的厚度h(θ)随着θ变化，谐振子壳体11的壳体厚度h(θ)值先减小后增大，其中，θ为壳体外壁113上任意位置在极坐标下的转角，0≤θ≤π/2。该设计的目的在于，当θ＝0时，壳体厚度(即唇沿111结构)要有足够面积进行金属化镀膜，并与平面电极22形成高效的电容；随着θ的增加，壳体厚度h(θ)需要不断减小，以降低变壁厚伞形半球谐振子1的二阶弯曲频率；当θ接近π/2时，壁厚h(θ)也需设计大一些，以抵抗高过载环境下应力波的冲击破坏。
为了获得最优的伞形半球谐振子设计方案，这里选取谐振子壳体11的厚度h(θ)的函数具体表达式，即(ak为与变壁厚伞形半球谐振子二阶弯曲频率相关的设计参数通过优化分析获得；k＝0,1,2,3…可根据需要选取；
n理论上可选择为无限大正整数，但可根据实际需求选取，一般可以选3～5即可)、支撑杆12的圆角R1，支撑杆12的直径d1，支撑杆12的安装直径d2以平面电极基板2的厚度H1，本发明支撑杆12与谐振子壳体11通过圆角为R1的光滑曲面连接，R1的数值在0.1R0～0.35R0之间，支撑杆12直径d1的数值在0.5R0～0.8R0之间；支撑杆12的安装段121直径d2的数值在(d1-1)mm～(d1-4)mm之间，支座厚度H1在4～8mm之间；通过选取上述设计参数取值，控制半球谐振子二阶弯曲频率范围(如4000Hz～6000Hz等)，增加相邻谐振频率与二阶谐振频率的频率差(如1500Hz以上)，并使半球谐振子结构和基板结构能够抵抗过载载荷为104g冲击作用(g为重力加速度)。
如图1至图4所示，本发明半球谐振陀螺主要包括以下两个结构件，即上述变壁厚伞形半球谐振子1及平面电极基板2；其中，变壁厚伞形半球谐振子1及平面电极基板2通常采用高纯度熔融石英来制造。平面电极基板2的中心设置有支撑杆安装孔21，支撑杆12底端嵌入支撑杆安装孔21内，与平面电极基板2连接；平面电极基板2的上表面设置有多个平面电极22，平面电极22与唇沿111底部设置有间隙。
上述变壁厚伞形半球谐振子1与平面电极基板2通过支撑杆12底端与支撑杆安装孔21的轴孔配合安装，并通过铟焊的方式固定在平面电极基板2上。此外，为了保证该结构的测量精度通常将上述两个结构封装在金属罩中，并保证内部真空状态。伞形半球谐振子壳体11内表面以及唇沿111边缘进行高精度金属镀膜处理，唇沿111与平面电极基板2上对称分布的平面电极22(共8个)之间需要预留一个微小间隙(通常为0.1mm～0.3mm)，从而形成一系列的电容结构。
此外，图形化形式的平面电极22通常按照功能可分为激励电极和检测电极：通过对激励电极和谐振子外壳唇沿111对应位置的金属镀膜施加适当的电压，利用静电力作用驱动伞形半球谐振子振动，形成二阶弯曲谐振振型；通过测量检测电极与谐振子外壳唇沿111对应位置金属镀层之间的电容变化来测量谐振子的位移变化和振动情况，继而获得谐振子转动角位移。平面电极基板2的平面电极22呈中心对称分布，电极总数为16个(包括8个激励电极和8个测量电极)，并且电极之间需要进行信号隔离处理。
从固体力学角度，半球谐振子二阶弯曲频率是谐振子结构的固有属性，主要由上述结构、材料属性等决定(半球谐振子的材料通常为熔融石英)，通常目前国内半球谐振子工作频率在4000Hz～6000Hz之间；另一方面，对于常见情况，球谐振子结构和基板结构的结构尺寸参数半也会影响其抗冲击性能(考虑应力波的叠加作用)。因此，可以通过有限元分析法合理设计上述结构参数，从而控制半球谐振子二阶弯曲频率范围(4000Hz～6000Hz等)，增加相邻谐振频率与二阶谐振频率的频率差(如1500Hz以上)，并使半球谐振子结构和基板结构能够抵抗过载载荷为104g冲击作用(g为重力加速度)。如图6所示，具体优化流程如下：
1)构建自动化建模及有限元分析流程。
基于上述结构设计参数，结合三维软件的参数化建模方法及Python软件，可获得任意设计参数的三维模型；利用Python软件(编程)结合有限元软件命令流程序，将该三维模型自动划分网格，并加载边界条件、载荷，设置求解条件、输出所求载荷信息等，最终可获得伞形谐振子结构的前6阶谐振频率(对于任意典型伞形谐振子结构)；
2)选择优化设计变量。为了减少后续优化过程的时间和工作量，根据上述结果，通过典型试验设计方法(DoE，Design of Experiment)，找出影响谐振子结构二阶谐振频率及频率差(二阶谐振频率与相邻谐振频率之差)显著的特征尺寸作为后续优化设计变量，如图5所示(此外还包括选取的设计参数ak)；
3)建立近似响应模型。基于上述设计变量，结合结构设计要求，选择合适的设计变量的上下限(即设计空间)，接着再利用上述自动化建模及有限元分析流程，获得结构设计变量及对应的结构响应取值。基于试验设计方法，在设计空间内选取大量的样本点，拟合出后续优化所需的近似响应模型，并根据实际需要控制模型误差；
4)多目标优化分析。选择多目标优化算法，结合上述近似响应模型，获得谐振子结构的(局部)最优解，其中，约束条件为：相邻谐振频率与二阶谐振频率的频率差在1500Hz以上。目标条件为：a)二阶谐振频率最小(在4000Hz～6000Hz内)；b)上述频率差与二阶段弯曲频率之比最小。在考虑加工难易的条件下，选取伞形谐振子结构的(局部)最优设计参数(有很多组满足条件)；
5)结构抗过载分析。考虑到利用Abaqus软件进行伞形谐振子抗过载分析的时间较长，为了减少有限元分析的时间、提高分析效率，可选取步骤4)中获得的结构设计优化方案以及对应的平面电极结构参数，分析其在冲击载荷104g条件下主应力情况(载荷曲线为半正弦形，持续时间为20毫秒)。再次筛选出结构主应力的绝对值最大值小于材料抗拉强度(约50MPa)的设计方案。
最后利用有限元法验证最后的设计方案是否满足全部设计条件或目标(见步骤4)和步骤5)中)，若不满足上述设计条件或目标，可通过更改步骤3)中设计变量的上下限取值等方式，再次进行优化。
Claims (6)
1.一种变壁厚伞形半球谐振子，其特征在于：包括谐振子壳体(11)和支撑杆(12)；所述支撑杆(12)设置在谐振子壳体(11)内部，且其顶端与谐振子壳体(11)的壳体内壁(112)中心通过光滑曲面连接；
所述谐振子壳体(11)的壳体内壁(112)呈半球面形状，壳体外壁(113)为一个回转曲面，使得谐振子壳体(11)的壳体厚度h(θ)随着θ变化，所述谐振子壳体(11)的壳体厚度h(θ)值随着θ先减小后增大，其中，θ为壳体外壁(113)上任意位置在极坐标下的转角，0≤θ≤π2；当θ＝0时，壳体厚度保证有足够面积进行金属化镀膜，并与平面电极基板(2)的平面电极(22)形成高效的电容；随着θ的增加，壳体厚度h(θ)不断减小，以降低变壁厚伞形半球谐振子的二阶弯曲频率；当θ接近π2时，壳体厚度h(θ)增大，以抵抗高过载环境下应力波的冲击破坏；
所述谐振子壳体(11)的厚度h(θ)的具体表达式为：
其中，ak为与变壁厚伞形半球谐振子二阶弯曲频率相关的设计参数，k＝0,1,2,3…；
所述谐振子壳体(11)的壳体内壁(112)以及唇沿(111)边缘进行高精度金属镀膜处理；
所述支撑杆(12)与谐振子壳体(11)通过圆角为R1的光滑曲面连接，R1的数值在0.1R0～0.35R0之间，所述支撑杆(12)直径d1的数值在0.5R0～0.8R0之间；
所述支撑杆(12)的底端设置有与平面电极基板(2)连接的安装段(121)，所述安装段(121)直径d2的数值在(d1-1)mm～(d1-4)mm之间。
2.一种半球谐振陀螺，其特征在于：包括平面电极基板(2)以及权利要求1所述的变壁厚伞形半球谐振子(1)；
所述平面电极基板(2)的中心设置有支撑杆安装孔(21)，所述支撑杆(12)底端嵌入支撑杆安装孔(21)内，与平面电极基板(2)连接；
所述平面电极基板(2)的上表面设置有多个平面电极(22)；所述平面电极(22)与唇沿(111)底部设置有间隙。
3.根据权利要求2所述的半球谐振陀螺，其特征在于：所述变壁厚伞形半球谐振子(1)和平面电极基板(2)封装在金属罩中，所述金属罩内部为真空状态。
4.根据权利要求2所述的半球谐振陀螺，其特征在于：所述支撑杆(12)与平面电极基板(2)通过铟焊的方式连接。
5.根据权利要求2所述的半球谐振陀螺，其特征在于：所述平面电极(22)以支撑杆安装孔(21)为圆心呈中心对称分布，包括依次间隔设置的激励电极和检测电极，相邻平面电极(22)之间进行信号隔离处理。
6.根据权利要求5所述的半球谐振陀螺，其特征在于：所述平面电极(22)为16个，包括8个激励电极和8个测量电极。
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