半球谐振子疲劳寿命分析与仿真

半球谐振子的寿命和损伤是直接影响高精度半球谐振陀螺使用时长和安全性的重要因素。目前国内加工的半球谐振子所用的熔融石英玻璃材料主要依靠进口,采用传统的疲劳寿命实验确定方法成本过于昂贵,因此需要利用疲劳分析软件对半球谐振子的疲劳寿命进行分析。文章通过半球谐振陀螺应力分析,采用ANSYS软件对熔融石英半球谐振子进行应力分析仿真,确定因残余应力所引起的疲劳危险部位,并在疲劳部位进行裂纹扩展分析,得到 、 和 型应力强度因子,以使在半球谐振子结构设计和使用过程中对易疲劳的部位进行有效监控和预防。     

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围绕全角半球谐振陀螺的典型使用环境特征,对谐振子结构方案进行了深入研究。仿真分析了“等壁厚”“上薄下厚”“上厚下薄”3种结构方案的振动特性差异,发现在谐振子平均尺寸相同的情况下,“上厚下薄”方案的工作频率最高,相邻模态频率间隔最大,且受冲击影响最小。进一步,定量仿真分析了内球面半径、内圆角半径及内支撑柱直径等结构参数对“上厚下薄”谐振子振动特性以及抗冲击性能的具体影响,为陀螺的设计加工提供了有效参考。     

基于加工误差仿真的半球谐振子优化设计

针对半球谐振陀螺谐振子制造过程中存在的加工误差,采用有限元仿真,分析了半球谐振子结构参数、尺寸公差和形位公差变化对其工作模态频率和临近模态频率的影响,研究了半球谐振子形位公差变化对频率裂解和品质因数的影响。通过仿真分析可知,半球谐振子结构参数壁厚、半球中心半径及内倒角半径都会影响模态频率;半球谐振子形位公差中的内外球心距离误差对其工作模态影响较大,中心轴平行误差对频率裂解和品质因数影响较大;半球谐振子壁厚、内倒角半径、小柱半径及内外球心距离误差变化会使工作模态频率与相邻模态间存在干扰。在此基础上,提出了半球谐振子结构参数及形位公差优化设计建议,并通过半球谐振子品质因数Q值和频率裂解测量对该建议进行了验证。     

微玻璃半球壳体谐振子的设计、制备与表征

近年来美国国防高级研究计划局大力推进三维壳体谐振陀螺(尤其是高性能半球谐振陀螺)的微型化,以实现惯导级性能的微机械振动陀螺。提出发泡法制备直径小于1cm的微壳体谐振子,利用发泡剂在高温下释放气体,使软化后的玻璃在气压差和表面张力的作用下形成三维轴对称壳体。大气环境下多普勒测振仪的测试结果表明,利用发泡法制备的微壳体谐振子的酒杯二阶模态的谐振频率为11kHz,频率分裂值为72Hz,相对裂解值为0.65%,相应的品质因子Q值约为970和1127。发泡法有望提供一种低成本、高性能微壳体谐振子的制备方法。     

半球谐振子薄壁厚度不均匀性对陀螺精度的影响

针对半球谐振陀螺仪的工艺制造偏差,研究半球谐振子薄壁厚度不均匀对陀螺精度的影响,建立误差模型,分析误差机理．首先对谐振子进行应变分析,然后分析薄壳微元的受力情况,根据力和力矩平衡方程建立半球谐振子动力学方程,得出由于厚度不均匀造成的半球谐振陀螺仪角速率误差．研究结果表明其傅立叶展开式的1～3次谐波项对角速率误差无影响,而4次谐波有影响．为提高陀螺精度,对陀螺厚度不均匀加以平衡．     

石英半球谐振子精密成型技术

石英半球谐振陀螺以其轻质、低功耗、长寿命、高可靠、应用精度范围宽、成本低等优势，引起了惯性技术界的瞩目。半球谐振陀螺的核心器件——石英半球谐振子的成型技术是当前的研究重点。经不断试验和摸索，以范成球面弹性展成为基础，通过均衡磨削原则、磨头最大包络原则和三阶段37道工序的精细优化工艺流程，较好地实现了高精度微应力硬脆石英谐振子异形薄壁件的成型，形成了专用的结构成型中心，为石英半球谐振陀螺的核心半球谐振子球壳成型开创了一条可行途径。     

方形膜片压力敏感元件的频率特性

方形膜片是一种先进的敏感压力的谐振子。其于板的大找度变形理论，建立了被测压力与谐振子固有频率的数学模型，计算机、分析了谐振子的几何参数对振动特性的影响规律，得到了在给定压力得程内，对确定材料的膜片其固有频率相对零压力频率的变化率只与其边长、膜片厚的比值有关的重要结论，为设计该类谐振子提供了理论依据。     

谐振陀螺及半球壳谐振子陀螺仪

阐述了一种无需高速转子和轴承支承的陀螺仪——谐振陀螺的发展过程。文中特别对近年来在战略武器研制中广受注意的新型半球壳谐振子陀螺仪(HRG)作了评价性的论述,并作为展开后续研究的开端。     

抑制旋转抛物面形谐振子频率裂解研究

旋转抛物面形金属结构作为一种新型固体波动陀螺的振子,利用处于谐振 状态下的轴对称谐振壳体中驻波的哥氏效应敏感角运动。谐振子本身的结构特点使其具 有抗高过载、高冲击的特性,因而在高动态环境下的中低精度角速率测量场合具有广阔 的应用前景。在实际制造过程中,由于旋转抛物面形谐振子的壁厚、密度、弹性模量等 结构和材料参数的不均匀会导致其固有频率发生裂解,其值的大小是决定能否产生陀螺 效应以及影响陀螺整体性能指标的关键因素。针对上述问题,提出了一种通过去除谐振 子边缘质量的方法减小其频率裂解。通过有限元仿真分析及试验测试证明该方法能够有 效抑制谐振子的固有频率裂解,使得频率裂解减小到0.2Hz 以下。     

微半球陀螺敏感结构热成型规律研究

针对近年来受到广泛关注的微半球热成型工艺,研究了表面张力、黏性力、惯性力、重力及压差对成型的影响,得出了黏性力在成型过程中起主导作用,表面张力、惯性力及重力对成型的影响可以忽略,压差的变化不影响成型的形状,只影响成型的速度的结论,并通过仿真及实验验证了该结论。