[發明專利]一種石英撓性加速度計焊接殘余應力仿真方法

有效

• 申請號: 201210003049.3
• 申請日: 2012-01-06
• 公開（公告）號: CN102592019A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 陳穎;劉丙棟;侯澤兵;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

本發明涉及一種石英撓性加速度計焊接殘余應力仿真方法，特別是涉及一種基于有限元軟件ANSYS直接熱應力耦合仿真的石英撓性加速度計焊接殘余應力仿真方法，屬于有限元仿真技術領域。

背景技術

加速度計是把運載體的加速度通過各種測量手段轉化為電信號的傳感器裝置。自從第二次世界大戰末期出現第一個加速度計至今，隨著科學技術的發展，加速度計也在不斷的發展和改進，曾先后出現過近百種不同類型的加速度計。其中石英撓性加速度計以體積小、響應快、靈敏度高等優點，在精確制導、航空航天等眾多領域都得到了廣泛應用。但是，石英撓性加速度計在使用過程中會發生參數漂移的現象，這對導航精度造成了很大的影響。

目前，針對石英撓性加速度計的研究，多集中于漂移誤差建模及補償技術研究方面，這些方法未進行參數漂移的機理分析，因而無法為加速度計的設計改進提供依據。研究表明，加速度計在使用過程中產生參數漂移的一個重要機理是存在焊接殘余應力。這是因為加速度計的磁鋼與預負載環是通過激光焊接裝配的，而在焊接過程中，由于高度集中的瞬時熱輸入和隨后的快速冷卻，必會在焊接工件上產生相當大的焊接殘余應力。研究焊接殘余應力的方法有實驗測試和有限元仿真方法，然而對于焊接殘余應力的實驗測試具有很大的局限性：采用無損方法，只能測到焊接結構表面的應力狀態；即使采用破壞性方法，三維殘余應力場也是難以精確核計的。近年來由于電子計算機的應用和計算方法的新進展，有限元仿真方法作為一個強有力的數值仿真工具，已被廣泛用于工程領域。通過對國內外現有基于有限元仿真的技術文獻檢索發現，石英撓性加速度計的有限元仿真多集中于靜態應力和模態計算，還沒有關于石英撓性加速度計焊接殘余應力的仿真。

發明內容

1、目的：本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種石英撓性加速度計焊接殘余應力仿真方法，它通過直接熱應力耦合仿真，來模擬焊接過程，從而求解得到焊接后結構體的殘余應力分布，一方面能夠通過研究焊接后結構體的應力分布規律，來進一步研究焊接殘余應力對于加速度計參數漂移的影響，以便為加速度計的設計改進提供依據，另一方面通過對比不同焊接工藝參數組合下的殘余應力分布來選擇最佳的焊接工藝。

2、技術方案：本發明是通過以下技術方案實現的，在選擇有限元單元的基礎上建立加速度計的非線性材料模型，然后結合加速度計的尺寸信息建立加速度計幾何模型并進行網格劃分，最后通過施加約束及載荷來實現直接熱應力耦合仿真。

本發明一種石英撓性加速度計焊接殘余應力仿真方法，其具體步驟如下：

步驟一：結合焊接殘余應力產生機理來選擇有限元單元；激光焊接過程中，熱流密度很高的激光束作用于面積很小的焊接部位，使材料局部熔化、汽化，造成被焊部位受熱不均且局部產生塑性變形，冷卻過程中的溫度變化產生殘余應力，因此選擇熱結構耦合單元，且需要同時滿足以下條件：(1)三維六面體耦合單元；(2)具有溫度自由度；(3)具有結構自由度；(4)能夠進行瞬態動力學仿真；(5)能夠產生塑性變形。

步驟二：建立材料模型庫，主要包括：

a.定義單位制：由于ANSYS中數值沒有單位，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，仿真過程中的主要材料為石英、低膨脹合金、不銹鋼合金；材料參數包括熱仿真中需要的導熱率和熱膨脹系數，結構仿真中需要的密度、彈性模量、泊松比；另外，為了描述材料的塑性屬性，選用雙線性隨動強化模型，需要輸入最多五個溫度點的材料的屈服極限和屈服后的彈性模量；

步驟三：建立加速度計結構模型，首先對加速度計的各結構部件進行相應的簡化，只建立被焊接的軟磁體、預負載環，忽略其他的部件；其次，根據結構的對稱性，只建立軟磁體、預負載環的二分之一模型，為了方便將整體劃分為質量較高的六面體單元，將軟磁體切分成幾部分，分別進行建模；

步驟四：建立加速度計有限元模型，主要包括給各幾何部件賦予材料屬性以及利用掃略的方式生成網格，形成有限元模型。為了生成均勻的六面體單元，將構成結構的主要特征線劃分成長度大致相同的等份，例如，對于圓柱體，特征線為上下圓面的外環線以及徑向線。