[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

摘要

一种基于多场耦合的加速度计振动时效仿真方法，该方法有三大步骤：步骤一：激光焊接过程仿真；步骤二：自然冷却，保留残余应力，保持模型不变，删除热流密度载荷，仿真自然冷却的过程，仍然进行热结构耦合瞬态仿真；步骤三：施加振动应力，进行时域动态仿真。本发明通过热、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。它在航空航天及有限元仿真技术领域里具有良好的应用前景。

主权项

一种基于多场耦合的加速度计振动时效仿真方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：激光焊接过程仿真；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；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；e.施加约束及载荷，包括对称约束、零位移约束、热边界条件、预紧力、热流密度载荷；在结构对称面上施加法向对称约束；在焊接过程中，加速度计的固支部位施加各向零位移约束和预紧力；在所有与空气相接触的面上施加对流换热系数边界条件；在焊接部位施加热流密度载荷；f.进行热结构耦合仿真，选择仿真类型为瞬态，设置结果输出条件，保存数据文件并进行求解；步骤二：自然冷却，保留残余应力，保持模型不变，删除热流密度载荷，仿真自然冷却的过程，仍然进行热结构耦合瞬态仿真；步骤三：施加振动应力，进行时域动态仿真；包括：a.施加VSR过程的约束及载荷；包括删除激光焊接仿真过程中的零位移约束和预紧力，根据VSR试验中加速度计的固定方式施加零位移约束，并在固支点上施加随时间变化的正弦振动载荷；b.进行振动瞬态动力学仿真，选择仿真类型为瞬态仿真，打开瞬态效应选项，设定载荷为阶跃加载，设置载荷时间和载荷子步数，设置结果输出条件，保存数据文件并进行仿真计算，求得在施加振动后焊接部位应力变化。