[发明专利]钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法

说明书

技术领域

本发明属于角速率陀螺技术领域，具体涉及一种钟形振子式角速率陀螺的振子结构设计方法。

背景技术

陀螺作为敏感载体角运动的惯性器件，是惯性导航、制导的核心部件。基于哥氏力原理的振动陀螺具有所有的惯性品质，其在惯性技术领域的地位越来越重要，已被人们当作新一代的惯性仪表受到广泛的关注。在科学技术发展和市场需求的推动下，各种振动陀螺相继出现。

申请号为：201010215745.1，发明名称为：钟形振子式角速率陀螺的专利申请提供了一种钟形振子式角速率陀螺，该钟形振子式角速率陀螺是一种基于哥氏力原理的振动陀螺，其敏感器件采用熔融石英材料的钟形谐振子。目前，基于该钟形振子式角速率陀螺的振子设计，是依靠经验判断法和试凑法得来的，这两种方法研发成本高，研制周期长。

发明内容

本发明的目的是为了克服经验判断法和试凑法设计的钟形振子式角速率陀螺振子的研发成本高、研制周期长等缺点，提供一种钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法，该方法缩短了钟形振子的设计周期，从而缩短了整个钟形振子式角速率陀螺的开发时间。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法，包括以下步骤：

步骤1，建立钟形振子的有限元模型；

步骤2，对钟形振子的振动特性进行分析，得到钟形振子的固有振动频率和相关振型；通过低阶模态有限元分析方法得到钟形振子的固有频率及其振型，选取四波腹振型对应的频率作为钟形振子的激励频率，对钟形振子进行激励，得到有效的四波腹振型；

步骤3，提取钟形振子的结构参数，得到钟形振子的各参数对钟形振子固有频率的影响规律；

步骤4，根据钟形振子的各参数对钟形振子固有频率的影响规律，优化钟形振子的结构参数，获得钟形振子结构的设计参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法利用有限元分析方法得到钟形振子的振动特性，为钟形振子敏感信号的提取奠定了基础；

(2)本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法提高了验证分析能力和准确性，为钟形振子的合理设计提供了依据；

(3)本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法通过有限元分析方法得到钟形振子的相关特性，从而优化了钟形振子式角速率陀螺振子的设计方案，提高了钟形振子制作的成功率，节约了产品材料；

(4)本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法可以得到指导设计的有效分析数据，方便设计人员总结出结构设计的经验，从而归纳形成设计的规范和标准。

附图说明

图1为钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法流程图；

图2为钟形振子参数示意图；

图3为钟形振子俯视图；

图4为钟形振子有限元模型前视图；

图5为钟形振子有限元模型仰视图；

图6为钟形振子左右晃动振型前视图；

图7为钟形振子左右晃动振型仰视图；

图8为钟形振子倾斜晃动振型前视图；

图9为钟形振子倾斜晃动振型仰视图；

图10为钟形振子上下晃动振型前视图；

图11为钟形振子上下晃动振型仰视图；

图12为钟形振子四波腹振型前视图；

图13为钟形振子四波腹振型仰视图；

图14为钟形振子旋转振型前视图；

图15为钟形振子旋转振型仰视图；

图16为钟形振子六波腹振型前视图；

图17为钟形振子六波腹振型仰视图；

图18(a)～18(h)为钟形振子各结构参数与四波腹振型振动频率间的关系图。

具体实施方式

钟形振子式角速率陀螺的原理是利用发生谐振的钟形振子旋转时引起的振型角度的进动，来确定陀螺基座绕惯性空间旋转的角度。为使钟形振子能产生环向波数n＝2的理想振型，必须准确地控制钟形振子的激振频率，而这一频率正是钟形振子在该振型下的固有频率，因此我们就要对钟形振子的结构进行合理设计，使得到的钟形振子能产生理想振型。

根据振动理论可知，钟形振子固有频率和振型只与钟形振子的刚度特性和质量分布有关，因此，可利用有限元分析方法得到钟形振子的固有频率和振型。

本发明提供的钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法的流程如图1所示，具体如下：

步骤1，建立钟形振子的有限元模型；