[發明專利]一種基于有限元的石英撓性加速度計磁結構耦合仿真方法

無效

• 申請號: 201010601722.4
• 申請日: 2010-12-22
• 公開（公告）號: CN102024085A
• 公開（公告）日: 2011-04-20
• 發明（設計）人: 陳云霞;鄧灃鸝;王前程;許丹;康銳
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種基于有限元的石英撓性加速度計磁結構耦合仿真方法，其特征在于：其步驟如下：

步驟一：結合加速度計參數變化主機理來選擇有限元單元，該加速度計參數變化主機理是指加速度計在長期貯存過程中的環氧膠蠕變、磁鋼老化以及各部件的線膨脹系數與彈性模量變化；

步驟二：建立材料模型庫，包括：

a.定義單位制：由于有限元仿真軟件中的數值沒有單位，因此需要將各種材料屬性的單位按照定義好的單位制統一；該定義單位制是指在國際單位制的基礎上自定義單位制：毫米、克、秒、微安以及開爾文，之后所有部件尺寸、材料屬性以及載荷數值均通過此單位制換算得到；

b.輸入各部件的材料屬性：結合仿真類型輸入仿真需要用到的各部件材料屬性，該材料屬性是：加速度計各部件的材料為石英、釤鈷合金、純銅絲、鋁合金、低膨脹合金、不銹鋼合金、環氧膠以及空氣；包括結構分析需要的密度、彈性模量、泊松比以及熱膨脹系數，蠕變分析需要的蠕變方程與方程各系數，以及磁分析需要的相對磁導率、釤鈷合金矯頑力與剩磁；

步驟三：建立加速度計幾何模型，包括：

a.結構簡化及省略：對加速度計的各結構部件實施相應的簡化及省略，具體做法是針對加速度計參數變化影響大的部件，以及支撐和連接部位建模，而對加速度計參數變化影響小的部件或一些細節特征，則進行省略或簡化；

b.連接關系簡化：加速度計內部部件連接分為焊接和膠接，針對焊接與膠接實施不同的簡化策略，具體做法是對于焊接，簡化為理想連接；對于膠接，則在膠接處建立一層環氧膠模型進行蠕變分析；

c.幾何模型建立：建立加速度計各部件的幾何模型，具體做法是建立加速度計內部各部件石英擺片、軟磁體、預負載環、隔離環、環氧膠、磁鋼、力矩線圈以及不銹鋼外殼的幾何模型，并在各部件模型的空隙處增加空氣介質，以得到填充加速度計內部空隙的空氣模型；

d.屬性賦值：結合建立的材料模型庫對加速度計各部件進行賦值，使加速度計各部件材料與實際材料相一致；具體來說就是結合石英、釤鈷合金、純銅絲、鋁合金、低膨脹合金、不銹鋼合金材料屬性對加速度計各部件賦值，使加速度計各部件材料與實際材料相一致；

步驟四：建立加速度計有限元模型，包括針對加速度計各部件實施不同的網格精度劃分方法；具體來說就是對影響加速度計參數變化的主機理所涉及的部件以及受力產生位移的部件增大其網格密度；對于形狀規則的部件采用掃略和映射網格劃分方法，獲得六面體單元，對形狀不規則部件或部件連接處，則使用自動網格劃分；

步驟五：施加約束及載荷，包括：

a.磁場約束：對磁場邊界施加通量平行邊界條件，即狄利克萊邊界條件，又稱作第一類邊界條件，它規定了邊界處電勢的分布，電勢是邊界位置的函數，是常數和零；具體做法是對石英撓性加速度計的上下軟磁體及預負載環的最外部節點施加通量平行邊界條件，邊界處節點的電勢為零；

b.結構約束：對位移自由度進行限定，令部件中節點的X、Y及Z軸方向位移恒為零，具體做法是對石英撓性加速度計的法蘭盤下表面以及外殼施加結構約束，其節點的X、Y及Z軸方向位移恒為零；

c.恒定溫度載荷：在仿真中對石英撓性加速度計整體有限元模型施加恒定的溫度載荷，具體做法是在第一次仿真中對已建立的有限元模型施加恒定溫度載荷333K，在施加其它載荷與約束后，進行此溫度下的有限元仿真；同樣的，在第二次仿真中則施加溫度載荷343K，在施加其它載荷與約束后，進行此溫度下的有限元仿真；并以此類推；最后對加速度計仿真施加的溫度載荷共包括298K、333K、343K、353K、363K以及373K；

d.電流密度載荷：將伺服反饋電路公式加載到加速度計有限元模型中，通過伺服反饋電路公式計算得到的輸出電流，并將輸出電流作為電流密度載荷加載到加速度計力矩線圈上，該伺服反饋電路的公式為：

ΔI＝K_po.K_d.K_I.K_g.Δθ；

式中ΔI為加速度計伺服反饋電路輸出電流，K_po為電容傳感器系數，K_d為差動電容檢測器系數，K_I為電流積分器傳遞系數，K_g為跨導補償放大器傳遞系數，Δθ為加速度計擺偏角；

e.加速度載荷：對石英撓性加速度計有限元模型的輸入軸施加加速度載荷，具體來說就是對石英撓性加速度計的加速度載荷分三段施加，在第一段時間給定一個小的時間點，在這一階段對加速度計模型施加Y軸的加速度，即對加速度計的擺軸施加加速度，使得加速度值能夠在短時間內全部施加到模型上；第二段時間為加速度計的仿真時間，通過手動定義仿真步長來確定仿真時間，此時不用再輸入加速度；第三段也給定一個短時間，在這一階段重新對加速度計模型施加Z軸的加速度，即對加速度計的輸入施加加速度，并對力矩線圈施加電流以求出慣性力矩與電磁力矩相平衡時的仿真輸出電壓；

步驟六：瞬態磁結構耦合仿真，具體做法是結合有限元瞬態磁結構耦合分析流程對加速度計進行仿真；該瞬態磁結構耦合仿真是指在給定恒定溫度的一次仿真中同時考慮瞬態非線性分析及磁結構耦合分析對加速度計進行有限元仿真，以得到加速度計在給定恒定溫度下隨時間變化的有限元仿真輸出數據；同時，通過給定不同恒定溫度進行瞬態磁結構耦合仿真，最后得到加速度計在不同恒定溫度下隨時間變化的有限元仿真輸出數據；

通過對石英撓性加速度計進行磁結構耦合仿真，最終獲得加速度計仿真輸出電壓隨溫度、時間變化的數據，進而輔助設計人員迅速、準確地評估計算加速度計在長期貯存過程中的參數穩定性，為加速度計的結構分析提供可靠的計算機輔助工程即CAE分析支持。