硅微三轴轮环式陀螺结构设计与仿真分析

微机械陀螺是姿态控制平台和惯性导航系统的重要应用之一,但是目前国内的陀螺研发集成化程度不高,主要的研究集中在单一检测轴(特别是Z轴检测)微陀螺的设计上.为了实现可用于智能弹药领域的单片集成三轴陀螺,设计了一种轮环式陀螺结构,在ANSYS有限元分析软件中建立了该陀螺结构的有限元模型,并分别进行了模态分析、谐响应分析以及瞬态冲击响应分析.根据驱动模态和检测模态的频率匹配,优化了陀螺的结构尺寸,仿真结果显示工作模态的频率匹配性较好.分析了此结构在半正弦周期加速度冲击载荷作用下的冲击响应,谐振结构在5000g@5ms的瞬态冲击作用下最大应力为190.38MPa,证明该结构具有不错的抗冲击特性.     

抗高过载硅微杯型振动陀螺结构设计与仿真

微机械陀螺是现代制导武器的核心器件,但是制导武器的发射过程中伴随着巨大的加速度过载。针对微机械陀螺结构在大过载情况下活动质量块受过载影响大的问题,设计了一种抗高过载MEMS杯型振动式陀螺结构。结合四波腹运动原理,对杯型陀螺结构的工作原理、振动特性以及抗高过载特性进行了分析。在ANSYS有限元分析软件中建立了该硅微杯型陀螺结构的有限元模型,分别进行了模态分析、谐响应分析。仿真分析结果显示,该硅微杯型陀螺驱动模态与敏感模态固有频率的频差为0.8kHz,工作模态的频率匹配性较好。根据冲击动力学原理分析了此结构在半周期正弦加速度冲击载荷作用下的冲击响应,谐振结构在100000g的瞬态冲击作用下的最大应力为11.38MPa,最大位移为8.06nm,证明该结构具有优良的抗冲击特性。     

无温度传感器的金属振动陀螺温度补偿

金属振动陀螺是一种低成本、长寿命的新型简并模谐振陀螺,其结构相对简单,加工相对容易实现。但是,金属材料的温度系数和热膨胀系数大,其受到温度变化的影响明显,温度漂移对器件最终性能的影响较为明显。因此,对金属振动陀螺进行温度补偿,可以显著提高器件性能指标。建立了金属振动陀螺的温度模型,确定环境温度对器件谐振频率和零位偏移的影响关系。研究发现,金属振动陀螺谐振频率的温度系数具有超高线性度,可以替代温度传感器的作用,直接用谐振频率作为温度补偿量的输入。基于温度模型,进一步建立了温度漂移补偿模型,计算金属振动陀螺谐振频率的温度系数和零位偏移的温度关系,并对金属振动陀螺的温度漂移进行补偿。通过实验结果验证,金属振动陀螺谐振频率的温度系数为0.0536 Hz/℃,线性度达3.4×10~(-6),零位偏移和温度呈二次曲线关系,温度补偿后,金属振动陀螺的随机漂移可降低65%左右。     

陀螺电机振动频率谱特征分析与应用

由于陀螺电机在运转时的振动情况无法被常规测试项目检测,导致其作为一种常发故障成为陀螺电机在使用中的难题。以轴承缺陷及谐振造成的陀螺电机振动为研究对象,通过激光测振输出信号,运用小波包变换进行信号分析,得到振动频率谱。存在缺陷并不代表陀螺电机不可使用,为提升振动频率谱的实际使用性,在传统陀螺电机故障频率之外增加与陀螺系统自身频率点的对比并进行评估,实验测试结果与实际使用情况的比对可确认该方法具有可行性,可定位陀螺电机振动故障原因,并在陀螺系统协振频率基础上提高生产质量。     

某型航空发动机环形燃烧室振动特性分析

建立了环形燃烧室薄壁多孔结构的有限元模型,模拟燃烧室在实际工作中的安装条件,分析了燃烧室在不同工作状态下的模态频率和模态振型等.利用常温自由状态条件下有限元模型计算的振动特性,与该状态下的试验结果进行对比,修正计算模型.结果表明,修正后的计算结果与试验结果基本相符,保证了环形燃烧室各工作状态下振动特性分析的有效性.研究了不同工作状态对燃烧室温度场的影响及温度场对燃烧室模态频率的影响,结果表明燃烧室的工作温度越高,其模态频率越低;另外,计算结果表明该近似对称结构系统具有非单构系统的特点,其相似振型可作为同一阶振型加以考虑.     

检测质量对硅微机械框架振动陀螺影响的研究

 根据陀螺的动力学方程，从陀螺设计中的重要参数——内、外框架组件的等惯量约束条件和振动灵敏度等角度，探讨了检测质量对陀螺性能的影响，为微机械框架振动陀螺的设计提供了理论依据。     

半球陀螺谐振子超声旋转磨削加工关键技术研究

针对Al2O3陶瓷材料半球陀螺谐振子的难加工性,基于超声旋转磨削加工技术研究了其加工过程关键技术,包括超声振动频率选取,刀具结构参数和切削力对谐振子加工影响,以及壁厚均匀性加工.通过模态分析确定超声振动频率;建立了刀具结构参数与薄壁壳体加工表面质量之间数学模型;利用有限元软件研究在切削力作用下谐振子受力变化情况;并分析...     

基于模态匹配和正交抑制的微机电陀螺闭环控制技术研究

模态匹配和力反馈控制可以在不牺牲检测带宽的情况下,利用机械谐振放大特性有效提高微机电陀螺信噪比、改善陀螺性能。结合一款高Q值对称式四质量敏感结构的陀螺表头,在陀螺动力学平均模型基础上,通过对检测模态同相分量和正交分量的控制,实现陀螺的闭环检测控制。基于静电负刚度原理,通过改变陀螺敏感结构梳齿与质量块之间的电压,构建实时正交抑制系统和精确模态匹配环节,推导出陀螺的静电刚度矩阵,完成了对正交耦合信号的实时抑制和驱动、检测模态的精确模态匹配并且实现对两环节的解耦控制。实测结果显示,陀螺频差由24 Hz缩小到0.05 Hz以内,全温条件下,陀螺的正交耦合量由3(°)/s抑制到0.01(°)/s,陀螺全温零偏稳定性由初始的11.48(°)/h改善到1.95(°)/h,验证了实时正交抑制和模态匹配等技术对提升陀螺性能的具体效果。     

微机械速率陀螺的新设计,读出思想的仿真方法

本文报告了以激励和检测模态解耦为特色的振动式梳齿驱动速率陀螺的新设计。进行了分析计算及有限元法仿真和系统仿真。研究了怎样克服这些传感器的主要缺点,特别是两个振动模态诉不一致,带宽不足和上浮效应。展示了静电控制谐振频率和带的原理和仿真结果。在这些原理中,不需要器件的机械平衡,这样就减少了校准费用。对一种新的准旋转速率陀螺的仿真显示,只用６ｍｍ＾２的传感器面积就可以在５０ＨＺ带宽下达到０．１     

基于增益在线辨识的微机电陀螺 标度因数补偿技术研究

标度因数温度稳定性是微机电陀螺的关键指标之一,是评价陀螺温度性能的重要依据。推导并分析了温度对陀螺标度因数的影响,指出驱动模态振动位移、检测通路电路增益及两模态频差是影响陀螺标度因数温度稳定性的3个重要因素,测试了对标度因数影响较大的电路增益和频差在温度变化条件下的变化。对此设计了基于增益在线辨识技术的标度因数温度补偿方案并进行了数值及宏模型仿真,通过在驱动端和检测端施加一远离陀螺工作频率的辅助信号实时辨识出电路的增益变化,进而进行增益补偿,同时对陀螺频差变化带来的影响也进行了补偿。仿真结果表明该方法能够大幅提高陀螺标度因数的温度稳定性,由未补偿下的7.93×10~(-4)/℃降至1.0×10~(-5)/℃以内,改善幅度达98%以上。     

不同直径圆球诱导燃烧的振荡机制与频率特性

为了分析不同直径圆球诱导振荡燃烧的规律,并揭示圆球大小在振荡燃烧现象中所发挥的深层次作用,采用二维轴对称Euler方程和基元反应模型,对不同直径的圆球在H2/air预混气体中诱导振荡燃烧的现象开展数值模拟研究.研究发现,振荡频率并不是简单地随直径增大而逐渐从高频向低频连续过渡,而是存在两次突变,形成了超高频、高频以及低...     

Experimental investigations on cavity-actuated under-expanded supersonic oscillating jet

As one type of potential flow control actuators, cavity-actuated supersonic jet oscillators,which consist of a 2-D convergent nozzle and two face to face cavities, need to be investigated deeply to get the knowledge of their oscillating feature and underlying mechanism. Wind tunnel testing are conducted under different back pressures in a vacuum-type wind tunnel for two supersonic jet oscillators, to obtain their characteristics and the conditions for jet oscillating. The experimental results show that the continuous, nearly symmetric or asymmetric flipping between the two cavities appears over certain nozzle pressure ratio(NPR) range for both oscillators according to schlieren visualizations. Compared to the free jet, the oscillating jet with large exit achieves larger mixing; the oscillating jet with small exit has less mixing, based on the analysis of jet axial peak velocity and the entrainment. The cross-junction mode for estimating the resonance frequency in a pipe with two closed side branches is modified and obtained comparable estimations of the frequency of jet flipping with experimental data, but further investigations are needed to discover the underlying mechanism for the jet flipping.     

二元高超声速进气道动态攻角特性风洞实验

为了研究攻角导致的来流定常/非定常变化对二元高超声速进气道性能的影响,在马赫3.85条件下,对一个设计马赫数为6.0的二元高超声速进气道进行了动态攻角变化的风洞实验。实验中,攻角在0°～8.2°连续变化,动态频率最大达到9.3Hz。实验研究表明:攻角在0°～8.2°连续变化过程中,进气道始终保持着起动状态;攻角增加使进气道出口增压比逐渐上升,流量系数、出口总压恢复系数和出口马赫数逐渐降低;在保持起动状态的攻角连续变化过程中,振荡的二元高超声速进气道其性能变化趋势与准稳态时相似,攻角的动态变化未对进气道性能产生显著影响。     

离心压气机不稳定流动的时频特征分析

离心压气机失稳过程是一个非常复杂的动态过程,提高离心压气机运行的可靠性需要准确获取失稳过程的时频特征。针对带无叶扩压器的高速离心压气机失稳过程中叶轮出口的动态压力数据,采用时空本征模态分解(STIMD)算法和经验模态分解(EMD)算法进行分解,得到了多个本征模态函数(IMF),并结合Hilbert变换对不稳定流动的动态特征进行分析。结果表明,STIMD算法得到了深喘和浅喘的时频信息,观察到了频率在150 Hz附近持续波动的失速现象,并捕捉到了浅喘先兆的频率曲线由抖动向恒定的过渡过程。STIMD算法改善了EMD的模态混叠问题,为压气机失稳分析提供了一种工具。     

叶轮机械颤振稳定性工程预测方法在跨音风扇中的进一步探讨

通过求解雷诺平均NS方程并采用影响系数法,对三个基本正交模态的三维振荡跨音风扇叶片绕流问题进行了研究,并基于刚体运动假设和模态叠加法,得到了可用于叶轮机械设计阶段颤振稳定性评估的稳定性参数图。结果表明,跨音风扇内部,激波对非定常气动力的分布具有主导作用;通过对稳定性参数图的分析表明,在一定情况下振型对颤振稳定性有重要影响,应将其作为颤振稳定性设计的重要参数之一;跨音风扇和亚音低压涡轮的稳定性参数图对比分析表明,二者稳定性参数分布形式具有相似性。     

超燃冲压发动机隔离段非对称来流下激波串受迫振荡流动研究

用非对称马赫1.98的隔离段直连实验研究了不同波形不同频率的脉动反压对隔离段内流动的影响。实验结果表明:隔离段能有效地隔离不同频率不同波形周期性反压脉动对上游进气道的影响;反压脉动以第二特征波速向上游传播,但在激波振荡区域,压力脉动主要受激波振荡的影响;厚附面层一侧的下壁面激波振荡区域内压力脉动前传时以指数规律衰减,衰减的程度随着频率和波形的改变而改变。而薄附面层的上壁面激波振荡区域内压力脉动前传时不是单调下降,而是波动的。     

叶轮机械颤振稳定性工程预测方法在跨声风扇中的进一步探讨

通过求解雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程并采用影响系数法,对三个基本正交模态的三维振荡跨声风扇叶片绕流问题进行了研究,基于刚体运动假设和模态叠加法,得到了可用于叶轮机械设计阶段颤振稳定性评估的稳定性参数图.结果表明,跨声风扇内部,激波对非定常气动力的分布具有主导作用;在一定情况下振型对颤振稳定性有重要影响,应将其作为颤振稳定性设计的重要参数之一;跨声风扇和亚声低压涡轮的稳定性参数图对比分析表明,两者稳定性参数分布形式具有相似性.      

叶轮机械颤振稳定性的工程预测方法

通过求解雷诺平均N-S方程并采用影响系数法,对三个基本正交模态的三维振荡涡轮叶片绕流问题进行了研究。结果表明数值模拟所得非定常气动力与实验吻合较好;基于刚体运动假设和模态叠加法,得到了可用于叶轮机械设计阶段颤振稳定性评估的稳定性参数图/气动阻尼图,即所有可能的刚体运动及其相应气动阻尼的关系图;通过对稳定性参数图/气动阻尼图的分析表明,在一定情况下振型对颤振稳定性有重要影响,应将其作为颤振稳定性设计的重要参数之一。     

压气机线性振荡叶栅气弹试验研究（一）：非定常气动响应

 为了加强对叶轮机三维气动弹性机理的理解,为数值模拟方法提供试验验证数据,开展了压气机线性叶栅气动弹性试验研究。本研究分为两部分,本文为第1部分,研究压气机线性振荡叶栅的气弹稳定性,第2部分重点辨别叶尖间隙对此振荡叶栅气弹稳定性的影响。组建了线性叶栅试验台,其试验段由7个真实可控扩散叶型组成,中间叶片由凸轮机构驱动模拟三维一阶弯曲振动。使用外置压力传感器在6个叶高处测量叶片表面的定常压力分布和3个折合频率下叶片表面非定常压力分布。由管传递函数修正连接管造成的非定常信号失真。运用影响系数法构造协调叶栅任意叶片间相位角下的非定常气动响应结果。试验结果表明：非定常气动响应具有完全的三维特征;折合频率和叶片间相位角对叶栅的气动弹性稳定性具有决定性影响。     

压气机二维动叶栅非定常流场的大涡模拟

对压气机二维动叶栅,采用单通道和多通道计算模型进行了大涡模拟(LES),研究了节流过程中内部流场的非定常波动特征,分析了旋涡结构和波动频率的变化规律.结果表明:大流量工况时,前缘绕流和叶片吸力面分离产生的两种非定常波动共存,波动频率随压气机节流基本保持不变,此时吸力面分离表现为小尺度旋涡结构;近失速工况时,吸力面发生大尺度的流动分离,波动频率明显下降,低于叶片通过频率.