[发明专利]一种基于多场耦合的加速度计振动时效仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种加速度计振动时效仿真方法，特别是涉及一种基于多场耦合的加速度计振动时效仿真方法，属于有限元仿真技术领域。

背景技术

加速度计是把运动物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。石英挠性加速度计体积小、响应快、灵敏度高，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，石英挠性加速度计参数漂移方面的研究多集中于漂移误差建模及补偿技术方面，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主要机理是残余应力的变化，这种残余应力是制造、装配过程中产生的，却未在工艺阶段完全消除。对于石英挠性加速度计这种精密仪表来说，残余应力变化造成的微小的变形也将造成结构的不稳定，从而产生参数漂移。加速度计的磁钢与预负载环是通过激光焊接装配的。由于激光焊接温度高、梯度大，焊件受热不均匀，必然会产生焊接变形和残余应力。

消除残余应力的方法有三种，自然时效、热时效和振动时效。振动时效(VSR，Vibration Stress Relief)是利用振动方式消除机械结构的残余应力，以提高构件的几何尺寸稳定性的方法。振动时效在70年代起源于美国，后被广泛用于消除焊接部位的残余应力，消除的机理是当焊接部位的残余应力与外界振动应力之和大于材料的屈服极限时，该部位产生塑性变形，应力得以释放。由于激光焊接部位尺寸小，残余应力很难测量，因此很难评估振动时效对残余应力的消除效果。近年来，有限元数值计算方法广泛的应用于工程领域。利用有限元的方法对振动时效过程进行仿真，可以直观的观察残余应力变化情况，为振动时效试验的设计提供依据。通过对现有技术的查新及检索，国内外还没有开展利用石英挠性加速度计振动时效过程仿真方面的研究。

发明内容

1、目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于多场耦合的加速度计振动时效仿真方法，它通过热、结构、振动等多物理场的有限元耦合仿真，得到残余应力在VSR后的分布状态，一方面可用于评定VSR对残余应力消除的效果，另一方面通过对比多种不同的振动应力对消除残余应力的影响，寻找最优的VSR振动剖面，从而提高加速度计的稳定性和导航的精度。

2、技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的，在VSR对消除焊接部位残余应力作用的机理分析的基础上，首先利用热力耦合方法，仿真激光焊接的过程，然后通过自然冷却，将残余应力保留在焊接的部位，最后对留有残余应力的焊接部位进行时域动态仿真，得到残余应力的分布情况。

本发明一种基于多场耦合的加速度计振动时效仿真方法，其具体步骤如下：

步骤一：激光焊接过程仿真，主要包括：

a.结合焊接残余应力产生和消除的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，冷却过程中的温度变化产生残余应力。而VSR消除残余应力的原理是产生了塑性变形，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；

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，结构和振动仿真中需要的密度、弹性模量、泊松比，热膨胀系数，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；

c.建立加速度计几何模型，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；

d.划分网格，形成有限元模型，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。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。