一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子结构参数优化方法技术

一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子结构参数优化方法，涉及半球谐振子结构参数优化技术领域，用以解决现有技术不能对半球谐振子结构参数进行优化以提高品质因数的问题。本发明专利技术的技术要点包括：从能量角度定义半球谐振子的品质因数，影响品质因数的阻尼机理包括热弹性阻尼和支撑损耗；建立理想半球谐振子的总品质因数与热弹性阻尼和支撑损耗之间的关系；改变半球谐振子每个结构参数的尺寸，分别计算其对应的总品质因数，选择每个结构参数中总品质因数最高的尺寸为最优结构参数尺寸。本发明专利技术提高了半球谐振子结构优化的效率，缩短了半球谐振子的设计周期。谐振子的设计周期。谐振子的设计周期。

【技术实现步骤摘要】
一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子结构参数优化方法


[0001]本专利技术涉及半球谐振子结构参数优化
，具体涉及一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子结构参数优化方法。

技术介绍

[0002]随着现代科学技术的日益发展，军事、通信、卫星和探测等多个领域中，需要各种高性能的陀螺仪来保障精确的导航定位能力。半球谐振陀螺作为新型高精度陀螺仪具有较为简单的结构和独特的工作原理，其凭借抗冲击、抗辐射能力强、尺寸小、能耗低、可靠性高、工作寿命长等多方面优点，得到广泛应用。
[0003]半球谐振陀螺仪的最大优势之一是其能够在断电后继续工作15分钟左右，但是在全角工作模式下，如果没有环形激励力为谐振子补充振动时损耗的能量，半球谐振子的振幅会因为能量损耗逐渐衰减到0。因此，谐振子断电后的工作寿命和稳定性与振动能量损耗息息相关。目前，衡量半球谐振子振动能量损耗的主要指标是品质因数Q，品质因数越高，意味着半球谐振子对偏离其工作频率以外的外界干扰的抑制作用越强，在工作过程中产生的能量耗散越少，同时，由各种阻尼机理引起的能量衰减均会降低半球谐振陀螺仪的品质因数。因此，产生了优化半球谐振子结构参数以减小能量损耗、提高品质因数的需求。

技术实现思路

[0004]鉴于以上问题，本专利技术提出一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子结构参数优化方法，用以解决现有技术不能对半球谐振子结构参数进行优化以减小能量损耗、提高品质因数的问题。
[0005]一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子结构参数优化方法，所述半球谐振子结构包括半球壳和支撑杆，所述半球壳和所述支撑杆之间采用过渡圆角进行过渡；半球谐振子结构尺寸参数包括半球壳半径、半球壳厚度、支撑杆直径、支撑杆长度以及半球壳和支撑杆连接处的过渡圆角半径；所述优化方法包括以下步骤：
[0006]首先，从能量角度定义半球谐振子的品质因数，所述品质因数为半球谐振子一个工作周期所储存能量与损耗能量的比值；影响品质因数的阻尼机理包括热弹性阻尼和支撑损耗；
[0007]然后，按照下式建立理想半球谐振子的总品质因数Q与热弹性阻尼和支撑损耗之间的关系：
[0008][0009]式中，Q
TED
表示由热弹性阻尼决定的品质因数；Q
anchor
表示由支撑损耗决定的品质因数；
[0010]最后，改变半球谐振子每个结构参数的尺寸，分别计算其对应的总品质因数，选择每个结构参数的不同尺寸所对应的总品质因数最高的尺寸为最优结构参数尺寸。
[0011]进一步地，对于半球谐振子每个结构参数的不同尺寸，计算获得其对应的、由热弹性阻尼决定的品质因数Q
TED
为：
[0012][0013]式中，ρ、C、E、α和T0分别为半球谐振子材料的密度、恒压热容、杨氏模量、热膨胀系数和初始温度，ω为半球谐振子的谐振频率，τ为半球谐振子的热传递时间常数。
[0014]进一步地，其特征在于，半球谐振子的热传递时间常数包括穿过半球壳厚度方向热流的热传递时间常数τ
across
‑
h
、穿过过渡圆角壁厚热流的热传递时间常数τ
across
‑
z
、沿着过渡圆角附近支撑杆圆周方向热流的热传递时间常数τ
along
‑
r
；其中，
[0015]穿过半球壳厚度方向热流的热传递时间常数τ
across
‑
h
利用下式计算获得：
[0016][0017]式中，d表示半球谐振子材料的热扩散率；h表示半球壳壁厚；
[0018]穿过过渡圆角壁厚热流的热传递时间常数τ
across
‑
z
利用下式计算获得：
[0019][0020]式中，表示穿过过渡圆角热流的平均热路径长度；
[0021]沿着过渡圆角附近支撑杆圆周方向热流的热传递时间常数τ
along
‑
r
利用下式计算获得：
[0022][0023]式中，r表示过渡圆角边缘处的球壳半径。
[0024]进一步地，利用有限元软件建立半球谐振子热弹性阻尼仿真模型，输入半球谐振子的谐振频率和阻尼系数，对于半球谐振子每个结构参数的不同尺寸，仿真获得其对应的、由热弹性阻尼决定的品质因数Q
TED
为：
[0025][0026]式中，ω为半球谐振子的谐振频率，δ为非受迫振动的阻尼系数。
[0027]进一步地，对于半球谐振子每个结构参数的不同尺寸，计算获得其对应的、由支撑损耗决定的品质因数Q
anchor
的具体过程包括：利用有限元软件，在仿真模型基底部分的外边界添加一层半球型的完美匹配层PML作为非物理吸收层，建立半球谐振子支撑损耗仿真模型，设置参数包括PML外半径R
PML
和PML内半径r
PML
；当PML内半径r
PML
＝20r0时，由支撑损耗决定的品质因数Q
anchor
稳定收敛到常数，该常数即为由支撑损耗决定的品质因数Q
anchor
；其中，r0＝d/2，d表示支撑杆直径。
[0028]进一步地，所述半球谐振子支撑损耗仿真模型中PML外半径R
PML
为PML内半径r
PML
加上弹性波的波长λ；其中，弹性波的波长λ等于声音在基底材料中的传播速度与半球谐振子谐振频率的比值。
[0029]进一步地，所述最优结构参数尺寸为：半球壳半径取值范围为10～15mm，半球壳厚
度取值为1mm，支撑杆直径取值为7mm，支撑杆内长度取值为15mm，支撑杆外长度取值为5mm，过渡圆角半径取值为2.5mm。
[0030]本专利技术的有益技术效果是：
[0031]本专利技术基于能量损耗机理建立了半球谐振子品质因数有限元仿真模型，为半球谐振子结构参数的优化提供了指导依据；采用有限元软件分析结构参数对能量耗散的影响，提高了半球谐振子结构优化的效率，缩短了半球谐振子的设计周期；采用优化后的结构参数，如：半径取值为10～15mm，半球壳壁厚取值为1mm，支撑杆直径为7mm，内支撑杆长度取15mm，外部支撑杆长度为5mm，过渡圆角的取值为2.5mm时，可降低振动能量损耗，提高谐振子断电后的工作时长和稳定性。本专利技术方法具有一定普适性，可推广用于优化各类半球谐振子的结构参数。
附图说明
[0032]本专利技术可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本专利技术的优选实施例和解释本专利技术的原理和优点。
[0033]图1是本专利技术实施例中Ψ型半球谐振子示意图；其中，图(a)表示其结构示意图；图(b)表示其尺寸结构图；
[0034]图2是本专利技术实施例中PML建模参数示意图；
[0035]图3是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子结构参数优化方法，其特征在于，半球谐振子结构包括半球壳和支撑杆，所述半球壳和所述支撑杆之间采用过渡圆角进行过渡；半球谐振子结构参数包括半球壳半径、半球壳厚度、支撑杆直径、支撑杆长度以及半球壳和支撑杆连接处的过渡圆角半径；所述优化方法包括以下步骤：首先，从能量角度定义半球谐振子的品质因数，所述品质因数为半球谐振子一个工作周期所储存能量与损耗能量的比值；影响品质因数的阻尼机理包括热弹性阻尼和支撑损耗；然后，按照下式建立理想半球谐振子的总品质因数Q与热弹性阻尼和支撑损耗之间的关系：式中，Q
TED
表示由热弹性阻尼决定的品质因数；Q
anchor
表示由支撑损耗决定的品质因数；最后，改变半球谐振子每个结构参数的尺寸，分别计算其对应的总品质因数，选择每个结构参数的不同尺寸所对应的总品质因数最高的尺寸为最优结构参数尺寸。2.根据权利要求1所述的一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子结构参数优化方法，其特征在于，对于半球谐振子每个结构参数的不同尺寸，计算获得其对应的、由热弹性阻尼决定的品质因数Q
TED
为：式中，ρ、C、E、α和T0分别为半球谐振子材料的密度、恒压热容、杨氏模量、热膨胀系数和初始温度，ω为半球谐振子的谐振频率，τ为半球谐振子的热传递时间常数。3.根据权利要求2所述的一种基于能量损耗机理分析的半球谐振子结构参数优化方法，其特征在于，半球谐振子的热传递时间常数包括穿过半球壳厚度方向热流的热传递时间常数τ
across
‑
h
、穿过过渡圆角壁厚热流的热传递时间常数τ
across
‑
z
、沿着过渡圆角附近支撑杆圆周方向热流的热传递时间常数τ
along
‑
r
；其中，穿过半球壳厚度方向热流的热传递时间常数τ
across
‑
h
利用下式计算获得：式中，d表示半球谐振子材料的热扩散率；h表示半球壳壁厚；穿过过渡圆角壁厚热流的热传递时间常数τ
across
‑
z
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘赫男，秦彪，陈明君，吴春亚，程健，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：