[发明专利]一种基于有限元的石英挠性加速度计磁结构耦合仿真方法

说明书

技术领域

本发明提供一种基于有限元的石英挠性加速度计磁结构耦合仿真方法，特别是涉及一种基于有限元的石英挠性加速度计磁结构耦合仿真方法，属于有限元仿真技术领域。

背景技术

加速度计是把运载体的加速度通过各种测量手段转化为电信号的传感器装置。自从第二次世界大战末期出现第一个加速度计至今，随着科学技术的发展，加速度计也在不断的发展和改进，曾先后出现过近百种不同类型的加速度计。其中石英挠性加速度计因体积小、响应快、灵敏度高等优点，在航空航天、交通运输等众多领域都得到了广泛应用，在军用领域等一些要求精确制导的领域更是备受青睐。

目前，针对石英挠性加速度计的研究，多集中于漂移误差建模及补偿技术研究方面，但是此类研究需进行大量的实验以确定和验证模型的结构及其各项参数，对设计周期和设计成本有着较高的要求。近年来由于电子计算机的应用和计算方法的新进展，有限元分析方法作为一个强有力的数值分析工具，已被广泛用于工程领域。通过对现有基于有限元分析的技术文献检索发现，石英挠性加速度计的有限元分析多集中于静态应力分析和模态分析，这类方法大多只针对石英挠性加速度计的一部分部件进行建模分析，但是由于石英挠性加速度计内部结构复杂、部件繁多，其各部件的属性又是随温度及时间非线性变化的，只对其部分部件建模分析无法得到石英挠性加速度计整体的性能特征。另一方面石英挠性加速度计受到电磁力作用使结构变形，而结构的变化又使电磁力改变的过程变成一个典型的耦合场分析。通过对现有技术的查新，国内外还没有关于石英挠性加速度计整体建模和磁结构耦合仿真方面的研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于有限元的石英挠性加速度计磁结构耦合仿真方法，它是基于有限元的石英挠性加速度计整体建模以及结合瞬态非线性分析的磁结构耦合仿真方法，使得石英挠性加速度计仿真能够反映各部件的材料非线性变化以及磁结构的耦合作用，一方面能够对其结构进行优化设计，另一方面能够基于仿真结果建立性能参数的变化模型，可以降低石英挠性加速度计的设计周期和设计成本。

本发明是通过以下技术方案实现的，用基于石英挠性加速度计的性能参数变化机理，在选择有限元单元的基础上建立加速度计的非线性材料模型库，然后结合加速度计的尺寸信息建立加速度计几何模型并进行网格划分，通过施加约束及载荷，并采用ANSYS的APDL(参数化设计语言)将伺服反馈电路引入有限元模型，最后实现基于有限元法的不同恒定温度应力下瞬态磁结构耦合仿真分析。

本发明一种基于有限元的石英挠性加速度计磁结构耦合仿真方法，其步骤如下：

步骤一：结合加速度计参数变化主机理来选择有限元单元，该加速度计参数变化主机理是指加速度计在长期贮存过程中的环氧胶蠕变、磁钢老化以及各部件的线膨胀系数与弹性模量变化。选择的有限元单元需要同时满足以下条件：(1)需要施加加速度；(2)需要施加电流密度；(3)需要施加不同的恒定温度；(4)能够进行蠕变分析；(5)能够进行瞬态电磁场分析；(6)能够进行瞬态动力学分析；

步骤二：建立材料模型库，主要包括：

a.定义单位制：由于有限元仿真软件(ANSYS)中的数值没有单位，因此需要将各种材料属性的单位按照定义好的单位制统一；该定义单位制是指在国际单位制的基础上自定义单位制：毫米(mm)、克(g)、秒(s)、微安(μA)以及开尔文(K)，之后所有部件尺寸、材料属性以及载荷数值均通过此单位制换算得到；

b.输入各部件的材料属性：结合仿真类型输入仿真需要用到的各部件材料属性，该材料属性主要为石英、钐钴合金、纯铜丝、铝合金、低膨胀合金、不锈钢合金、环氧胶以及空气；包括结构分析需要的密度、弹性模量、泊松比以及热膨胀系数，蠕变分析需要的蠕变方程与方程各系数，以及磁分析需要的相对磁导率、钐钴合金矫顽力与剩磁；

步骤三：建立加速度计几何模型，主要包括：

a.结构简化及省略：对加速度计的各结构部件实施相应的简化及省略，具体做法是针对加速度计参数变化影响较大的部件(如磁钢、石英摆片及环氧胶)，以及必要的支撑和连接部位建模(如不锈钢外壳)，而对加速度计参数变化影响很小的部件(如磁极片等)或一些细节特征(如各部件上的倒角、石英摆片上的镀金引线等)，则进行省略或简化(如伺服电路在有限元仿真中用公式替代)；

b.连接关系简化：加速度计内部部件连接主要分为焊接和胶接，针对焊接与胶接实施不同的简化策略，具体做法是对于焊接，简化为理想连接；对于胶接，则在胶接处建立一层环氧胶模型进行蠕变分析；