[發明專利]一種基于多場耦合的加速度計振動時效仿真方法

有效

• 申請號: 201210004049.5
• 申請日: 2012-01-06
• 公開（公告）號: CN102542117A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 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

本發明涉及一種加速度計振動時效仿真方法，特別是涉及一種基于多場耦合的加速度計振動時效仿真方法，屬于有限元仿真技術領域。

背景技術

加速度計是把運動物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。石英撓性加速度計體積小、響應快、靈敏度高，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，石英撓性加速度計參數漂移方面的研究多集中于漂移誤差建模及補償技術方面，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主要機理是殘余應力的變化，這種殘余應力是制造、裝配過程中產生的，卻未在工藝階段完全消除。對于石英撓性加速度計這種精密儀表來說，殘余應力變化造成的微小的變形也將造成結構的不穩定，從而產生參數漂移。加速度計的磁鋼與預負載環是通過激光焊接裝配的。由于激光焊接溫度高、梯度大，焊件受熱不均勻，必然會產生焊接變形和殘余應力。

消除殘余應力的方法有三種，自然時效、熱時效和振動時效。振動時效(VSR，Vibration?Stress?Relief)是利用振動方式消除機械結構的殘余應力，以提高構件的幾何尺寸穩定性的方法。振動時效在70年代起源于美國，后被廣泛用于消除焊接部位的殘余應力，消除的機理是當焊接部位的殘余應力與外界振動應力之和大于材料的屈服極限時，該部位產生塑性變形，應力得以釋放。由于激光焊接部位尺寸小，殘余應力很難測量，因此很難評估振動時效對殘余應力的消除效果。近年來，有限元數值計算方法廣泛的應用于工程領域。利用有限元的方法對振動時效過程進行仿真，可以直觀的觀察殘余應力變化情況，為振動時效試驗的設計提供依據。通過對現有技術的查新及檢索，國內外還沒有開展利用石英撓性加速度計振動時效過程仿真方面的研究。

發明內容

1、目的：本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于多場耦合的加速度計振動時效仿真方法，它通過熱、結構、振動等多物理場的有限元耦合仿真，得到殘余應力在VSR后的分布狀態，一方面可用于評定VSR對殘余應力消除的效果，另一方面通過對比多種不同的振動應力對消除殘余應力的影響，尋找最優的VSR振動剖面，從而提高加速度計的穩定性和導航的精度。

2、技術方案：本發明是通過以下技術方案實現的，在VSR對消除焊接部位殘余應力作用的機理分析的基礎上，首先利用熱力耦合方法，仿真激光焊接的過程，然后通過自然冷卻，將殘余應力保留在焊接的部位，最后對留有殘余應力的焊接部位進行時域動態仿真，得到殘余應力的分布情況。

本發明一種基于多場耦合的加速度計振動時效仿真方法，其具體步驟如下：

步驟一：激光焊接過程仿真，主要包括：

a.結合焊接殘余應力產生和消除的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，冷卻過程中的溫度變化產生殘余應力。而VSR消除殘余應力的原理是產生了塑性變形，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；

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，結構和振動仿真中需要的密度、彈性模量、泊松比，熱膨脹系數，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；

c.建立加速度計幾何模型，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；

d.劃分網格，形成有限元模型，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。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。