[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

摘要

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：1。选择有限元单元；2.建立材料模型库，包括定义单位制与输入各部件的材料属性；3.建立加速度计几何模型，包括结构简化及省略、连接关系简化、几何模型建立与属性赋值；4.建立加速度计有限元模型；5.施加约束及载荷，包括磁场约束、结构约束、恒定温度载荷、电流密度载荷与加速度载荷；6.进行瞬态磁结构耦合仿真。本发明既考虑了加速度计各部件的材料非线性变化，又考虑了磁与结构的耦合作用，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。

主权项

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，其特征在于：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；步骤二：建立材料模型库，包括：a.定义单位制：由于有限元仿真软件中的数值没有单位，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、克、秒、微安以及开尔文，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，该材料属性是：加速度计各部件的材料为石英、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，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大的部件，以及支撑和连接部位建模，而对加速度计参数变化影响小的部件或一些细节特征，则进行省略或简化；b.连接关系简化：加速度计内部部件连接分为焊接和胶接，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；c.几何模型建立：建立加速度计各部件的几何模型，具体做法是建立加速度计内部各部件石英摆片、软磁体、预负载环、隔离环、环氧胶、磁钢、力矩线圈以及不锈钢外壳的几何模型，并在各部件模型的空隙处增加空气介质，以得到填充加速度计内部空隙的空气模型；d.属性赋值：结合建立的材料模型库对加速度计各部件进行赋值，使加速度计各部件材料与实际材料相一致；具体来说就是结合石英、钐钴合金、纯铜丝、铝合金、低膨胀合金、不锈钢合金材料属性对加速度计各部件赋值，使加速度计各部件材料与实际材料相一致；步骤四：建立加速度计有限元模型，包括针对加速度计各部件实施不同的网格精度划分方法；具体来说就是对影响加速度计参数变化的主机理所涉及的部件以及受力产生位移的部件增大其网格密度；对于形状规则的部件采用扫略和映射网格划分方法，获得六面体单元，对形状不规则部件或部件连接处，则使用自动网格划分；步骤五：施加约束及载荷，包括：a.磁场约束：对磁场边界施加通量平行边界条件，即狄利克莱边界条件，又称作第一类边界条件，它规定了边界处电势的分布，电势是边界位置的函数，是常数和零；具体做法是对石英挠性加速度计的上下软磁体及预负载环的最外部节点施加通量平行边界条件，边界处节点的电势为零；b.结构约束：对位移自由度进行限定，令部件中节点的X、Y及Z轴方向位移恒为零，具体做法是对石英挠性加速度计的法兰盘下表面以及外壳施加结构约束，其节点的X、Y及Z轴方向位移恒为零；c.恒定温度载荷：在仿真中对石英挠性加速度计整体有限元模型施加恒定的温度载荷，具体做法是在第一次仿真中对已建立的有限元模型施加恒定温度载荷333K，在施加其它载荷与约束后，进行此温度下的有限元仿真；同样的，在第二次仿真中则施加温度载荷343K，在施加其它载荷与约束后，进行此温度下的有限元仿真；并以此类推；最后对加速度计仿真施加的温度载荷共包括298K、333K、343K、353K、363K以及373K；d.电流密度载荷：将伺服反馈电路公式加载到加速度计有限元模型中，通过伺服反馈电路公式计算得到的输出电流，并将输出电流作为电流密度载荷加载到加速度计力矩线圈上，该伺服反馈电路的公式为：ΔI＝Kpo.Kd.KI.Kg.Δθ；式中ΔI为加速度计伺服反馈电路输出电流，Kpo为电容传感器系数，Kd为差动电容检测器系数，KI为电流积分器传递系数，Kg为跨导补偿放大器传递系数，Δθ为加速度计摆偏角；e.加速度载荷：对石英挠性加速度计有限元模型的输入轴施加加速度载荷，具体来说就是对石英挠性加速度计的加速度载荷分三段施加，在第一段时间给定一个小的时间点，在这一阶段对加速度计模型施加Y轴的加速度，即对加速度计的摆轴施加加速度，使得加速度值能够在短时间内全部施加到模型上；第二段时间为加速度计的仿真时间，通过手动定义仿真步长来确定仿真时间，此时不用再输入加速度；第三段也给定一个短时间，在这一阶段重新对加速度计模型施加Z轴的加速度，即对加速度计的输入施加加速度，并对力矩线圈施加电流以求出惯性力矩与电磁力矩相平衡时的仿真输出电压；步骤六：瞬态磁结构耦合仿真，具体做法是结合有限元瞬态磁结构耦合分析流程对加速度计进行仿真；该瞬态磁结构耦合仿真是指在给定恒定温度的一次仿真中同时考虑瞬态非线性分析及磁结构耦合分析对加速度计进行有限元仿真，以得到加速度计在给定恒定温度下随时间变化的有限元仿真输出数据；同时，通过给定不同恒定温度进行瞬态磁结构耦合仿真，最后得到加速度计在不同恒定温度下随时间变化的有限元仿真输出数据；通过对石英挠性加速度计进行磁结构耦合仿真，最终获得加速度计仿真输出电压随温度、时间变化的数据，进而辅助设计人员迅速、准确地评估计算加速度计在长期贮存过程中的参数稳定性，为加速度计的结构分析提供可靠的计算机辅助工程即CAE分析支持。