[發明專利]一種基于有限元的動力調諧陀螺加速穩定剖面生成方法

無效

• 申請號: 201110041860.6
• 申請日: 2011-02-21
• 公開（公告）號: CN102122311A
• 公開（公告）日: 2011-07-13
• 發明（設計）人: 陳云霞;梁媛;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

技術領域

本發明提供一種基于有限元的動力調諧陀螺加速穩定剖面生成方法，它涉及一種對不同加速穩定剖面下動力調諧陀螺內部殘余應力釋放規律的確定，屬于加速穩定試驗仿真技術領域。

背景技術

陀螺是慣性導航系統的核心元件。陀螺的工作精度、制造成本、可靠性和穩定性，是決定慣性導航系統工作精度、制造成本、可靠性和穩定性的最重要因素之一。對比現有各種常用陀螺特性，動力調諧陀螺儀(Dynamically?Tuned?Gyro，以下簡稱DTG)以其結構簡單，抗沖擊能力強，可靠性高，壽命長等優點廣泛使用于航空航天、船舶、機器人領域。

對于新生產的DTG，其性能參數并不穩定，不符合精度要求，不能直接裝配到慣性導航統中，因此，新生產的DTG必須經過一段穩定期才能投入使用。目前，工程中采用消除DTG殘余應力的加速穩定工藝剖面，即將新生產的動力調諧陀螺經過高低溫循環沖擊和保溫使其內部殘余應力逐漸釋放，從而使得DTG性能參數穩定下來，但現有的加速穩定工藝剖面只能使得其內部殘余應力消除20％--30％，且參數標定周期極短。因此，研究新的加速穩定剖面使新生產的DTG內部殘余應力能夠快速并盡可能多的釋放，從而使得DTG標定周期延長，具有十分迫切的工程需求。但采用工程試驗法對所設計的新的加速穩定剖面進行驗證，耗時長，成本高，且不易操作。因此，本發明主要針對這些問題，在現有的加速穩定工藝剖面基礎上，通過有限元建模仿真的方法確定DTG加速穩定的最優剖面，為動力調諧陀螺參數快速穩定提供理論方法和支撐。

發明內容

本發明的目的：彌補現有DTG加速穩定工藝剖面的不足，提供一種基于有限元建模仿真的方法，確定使得其內部殘余應力快速釋放的優化加速穩定仿真剖面。本方法通過對DTG整體有限元建模及其熱-結構耦合作用，反映不同加速穩定試驗方案下陀螺內部殘余應力釋放規律，結合DTG加速穩定條件下性能參數穩定性判據，確定出DTG加速穩定的仿真剖面，以便于工程試驗應用。

本發明是基于以下技術方案實現的：首先根據DTG的性能參數變化機理，在選擇有限元單元的基礎上建立DTG非線性材料模型庫，結合DTG結構尺寸特性建立有限元模型并進行網格劃分；同時考慮DTG現有加速穩定工藝剖面并結合已有工程經驗，設計加速穩定試驗方案；最后對DTG有限元模型施加約束并注入內部殘余應力，利用有限元熱-結構耦合作用，得到不同加速穩定試驗剖面下殘余應力變化規律，結合DTG性能參數穩定性判據，實現基于有限元DTG加速穩定試驗剖面的生成。

本發明一種基于有限元的動力調諧陀螺加速穩定剖面生成方法，其步驟如下：

步驟一：結合DTG參數變化主機理來選擇有限元單元，該DTG參數變化主機理是指DTG在加速穩定過程中的磁鋼退磁以及各部件的線膨脹系數與彈性模量隨溫度變化，選擇的有限元單元需要同時滿足以下條件：(1)能夠實現瞬態熱分析；(2)能夠實現結構場分析；(3)能夠實現熱-結構耦合分析；

步驟二：建立材料模型庫，主要包括：

a.定義單位制：由于有限元仿真軟件(ANSYS)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(mm)、克(g)、秒(s)、微安(μA)以及開爾文(K)，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；DTG的材料主要為鎳合金、馬氏體彈性合金、低膨脹合金、不銹鋼合金、環氧膠以及內部氮氣，所需材料屬性包括結構分析需要的密度、彈性模量、泊松比，以及熱分析需要的比熱容和熱膨脹系數；

步驟三：通過分析DTG參數變化主機理確定建模部件，同時對模型連接關系進行簡化，在有限元軟件中建立DTG幾何模型，并對DTG幾何模型進行材料屬性賦值；

步驟四：建立DTG有限元模型，主要包括針對DTG不同的部件實施不同的網格精度劃分方法進行有限元網格劃分；

步驟五：對DTG有限元模型施加約束及載荷，進行熱-結構耦合分析。主要包括對DTG有限元模型施加不同的加速穩定剖面，同時注入內部殘余應力，通過仿真計算得到在不同加速穩定剖面下DTG內部殘余應力變化規律；

步驟六：根據DTG性能參數穩定性判據，對有限元仿真結果進行分析，選取優化的DTG加速穩定仿真剖面。

其中，在步驟三中所述的建立DTG幾何模型，其具體做法的步驟如下：