[发明专利]一种石英挠性加速度计焊接残余应力仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石英挠性加速度计焊接残余应力仿真方法，特别是涉及一种基于有限元软件ANSYS直接热应力耦合仿真的石英挠性加速度计焊接残余应力仿真方法，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以体积小、响应快、灵敏度高等优点，在精确制导、航空航天等众多领域都得到了广泛应用。但是，石英挠性加速度计在使用过程中会发生参数漂移的现象，这对导航精度造成了很大的影响。

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，这些方法未进行参数漂移的机理分析，因而无法为加速度计的设计改进提供依据。研究表明，加速度计在使用过程中产生参数漂移的一个重要机理是存在焊接残余应力。这是因为加速度计的磁钢与预负载环是通过激光焊接装配的，而在焊接过程中，由于高度集中的瞬时热输入和随后的快速冷却，必会在焊接工件上产生相当大的焊接残余应力。研究焊接残余应力的方法有实验测试和有限元仿真方法，然而对于焊接残余应力的实验测试具有很大的局限性：采用无损方法，只能测到焊接结构表面的应力状态；即使采用破坏性方法，三维残余应力场也是难以精确核计的。近年来由于电子计算机的应用和计算方法的新进展，有限元仿真方法作为一个强有力的数值仿真工具，已被广泛用于工程领域。通过对国内外现有基于有限元仿真的技术文献检索发现，石英挠性加速度计的有限元仿真多集中于静态应力和模态计算，还没有关于石英挠性加速度计焊接残余应力的仿真。

发明内容

1、目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种石英挠性加速度计焊接残余应力仿真方法，它通过直接热应力耦合仿真，来模拟焊接过程，从而求解得到焊接后结构体的残余应力分布，一方面能够通过研究焊接后结构体的应力分布规律，来进一步研究焊接残余应力对于加速度计参数漂移的影响，以便为加速度计的设计改进提供依据，另一方面通过对比不同焊接工艺参数组合下的残余应力分布来选择最佳的焊接工艺。

2、技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的，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，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，最后通过施加约束及载荷来实现直接热应力耦合仿真。

本发明一种石英挠性加速度计焊接残余应力仿真方法，其具体步骤如下：

步骤一：结合焊接残余应力产生机理来选择有限元单元；激光焊接过程中，热流密度很高的激光束作用于面积很小的焊接部位，使材料局部熔化、汽化，造成被焊部位受热不均且局部产生塑性变形，冷却过程中的温度变化产生残余应力，因此选择热结构耦合单元，且需要同时满足以下条件：(1)三维六面体耦合单元；(2)具有温度自由度；(3)具有结构自由度；(4)能够进行瞬态动力学仿真；(5)能够产生塑性变形。

步骤二：建立材料模型库，主要包括：

a.定义单位制：由于ANSYS中数值没有单位，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，仿真过程中的主要材料为石英、低膨胀合金、不锈钢合金；材料参数包括热仿真中需要的导热率和热膨胀系数，结构仿真中需要的密度、弹性模量、泊松比；另外，为了描述材料的塑性属性，选用双线性随动强化模型，需要输入最多五个温度点的材料的屈服极限和屈服后的弹性模量；

步骤三：建立加速度计结构模型，首先对加速度计的各结构部件进行相应的简化，只建立被焊接的软磁体、预负载环，忽略其他的部件；其次，根据结构的对称性，只建立软磁体、预负载环的二分之一模型，为了方便将整体划分为质量较高的六面体单元，将软磁体切分成几部分，分别进行建模；

步骤四：建立加速度计有限元模型，主要包括给各几何部件赋予材料属性以及利用扫略的方式生成网格，形成有限元模型。为了生成均匀的六面体单元，将构成结构的主要特征线划分成长度大致相同的等份，例如，对于圆柱体，特征线为上下圆面的外环线以及径向线。