一种惯性测量单元外壳结构的优化设计方法技术

本发明专利技术属于惯性测量技术领域，目的是为了克服传统的依赖于设计人员经验基础的设计方法对设计人员和实验人员要求高、开发周期长、成本高等缺点。该方法包括：(1)将惯性测量单元外壳结构进行模块划分；(2)对各模块进行设计；(3)对各模块组成的惯性测量器件外壳结构进行模拟分析；(4)得到整体形变等分布情况；(5)若一个或多个模块的强度等超过允许值，提出改进方案，重新进行设计，返回步骤(3)；否则，完成优化设计。本发明专利技术采用计算机辅助工程结构分析取代了传统的经验判断和强度校核计算方法，提高了验证分析的能力和准确性，而且缩短了修改周期，从而缩短了整个惯性测量单元开发的时间，为惯性测量单元外壳结构的合理设计提供了依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于惯性测量
，具体涉及。
技术介绍
惯性测量单元是一种导航、制导组件，广泛应用于军事领域。惯性测量单元一般由三个加速度计和三个陀螺仪组成，在安装上要求三个加速度计两两正交，三个陀螺仪两两正交，并且要求三个加速度计和三个陀螺仪的敏感轴向要分别和运动载体坐标系中的X 轴、Y轴、Z轴方向一致。军事领域的应用不但要求惯性测量单元的敏感器件(即加速度计和陀螺仪)有很高的安装精度，而且还要求惯性测量单元可以承受恶劣环境，如弹药发射时的高过载等。在这种条件下，就需要一个合理的外壳结构，在很好的固定三个加速度计和三个陀螺的同时，还要能够对相关器件进行保护。由于对惯性测量单元的外壳结构精度要求很高，因此，如何保证主体外壳结构在安装、运输、使用和保存等过程中尺寸的精度，外壳结构的模块设计或结构设计是否合理， 是否会在使用中由于受力出现较大形变，如何控制产品的受力形变等都是设计的难点；同时，由于外壳结构还要承受一定的冲击，为了不影响到惯性测量单元的输出精度，就要保证冲击过程中惯性测量单元内的敏感器件不被损坏、零位不会发生太大变化，这些也都是设计的难点。目前惯性测量单元的外壳结构设计主要依赖于设计人员在经验基础上的定性分析，这种方法缺乏可靠的设计依据，缺乏理论指导，设计安全系数较大，设计结构偏于保守。 如果由于模块设计或结构设计依靠经验设计的不合理导致出现产品修改的问题，轻则修改结构重新试验，重则导致惯性测量单元的总体设计失败。应用传统的依赖于设计人员经验基础的设计方法，不但对设计人员和实验人员有相当高的要求，同时又要不断的重新试制更新结构，这样无形之间延长了惯性测量单元的开发周期、增加了开发成本，造成不必要的浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服传统的依赖于设计人员经验基础的设计方法对设计人员和实验人员要求高、开发周期长、成本高等缺点，提供了，该方法能够及时更正结构设计错误，降低惯性测量单元的开发成本，缩短惯性测量单元的开发周期。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是，包括下列步骤步骤1、将惯性测量单元外壳结构进行模块划分，设定各模块的强度、刚度、形变阀值；步骤2、根据用户要求对步骤1中划分的各模块进行结构设计，确定各模块形状、壁厚、器件的布局和形状，完成计算机辅助设计建模；步骤3、应用计算机辅助工程结构分析方法对设计后的各模块组合成的惯性测量单元的外壳结构进行模拟分析，得到惯性测量单元外壳结构的固有振动频率、固有振型、在固有振动频率下各节点的形变、在振动情况下的受力和形变、在安装过程中产生的强度、刚度、形变、在冲击过程中的强度、刚度、形变；步骤4、根据计算机辅助工程结构分析方法获得的惯性测量单元外壳结构的参数值得到惯性测量单元外壳结构的整体形变、谐振频率、强度和刚度分布情况；步骤5、若划分后的一个或多个模块的强度、刚度或形变参数值超过设定的阀值， 则提出惯性测量单元外壳结构的优化方案，对划分的各模块重新进行结构设计，确定各模块的形状、壁厚、器件的布局和形状，完成计算机辅助设计建模，返回步骤3;否则，此次设计的惯性测量单元外壳结构的各模块形状、壁厚及惯性敏感器件的布局和形状符合要求， 完成惯性测量单元外壳结构的设计。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是本专利技术提供的优化设计方法用CAE (Computer Aided Engineering，计算机辅助工程)结构分析取代了传统的经验判断和强度校核计算方法，提高了验证分析的能力和准确性，为惯性测量单元的合理设计提供了依据。本专利技术利用CAE结构分析对惯性测量单元外壳结构进行模态分析，得到外壳结构的谐振频率，并据此进行了结构优化，有效地提高了外壳结构抑制整体谐振的能力，提高了产品设计的可靠性和稳定性；利用CAE结构分析对惯性测量单元外壳结构在各种工况情况下进行受力和形变分析，得到外壳结构强度、刚度和形变的分布情况，从而优化了设计方案，节约了产品材料；利用CAE结构分析，提高了产品研制的成功率，避免了由于惯性测量单元外壳结构使用中的形变造成的整体失效等风险； 通过CAE结构分析，得到了指导设计的有效分析数据，方便设计人员总结出结构设计的经验，归纳形成设计的规范和标准。附图说明图1为惯性测量单元外壳结构的优化设计方法流程图；图2为惯性测量单元外壳结构的示意图；图3为惯性测量单元外壳结构的应力分布图；图4为惯性测量单元外壳结构的形变分布图；图5为惯性测量单元外壳结构采用方法1进行优化后的形变分布图；图6为惯性测量单元外壳结构采用方法2进行优化后的形变分布图；图7为惯性测量单元外壳结构采用方法3进行优化后的形变分布图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1所示，，包括下列步骤步骤1、将惯性测量单元外壳结构进行模块划分，设定各模块的强度、刚度、形变阀值；惯性测量单元包括结构底座、连接螺钉、阻尼胶、电池盒，为了便于加工、装配、检测，对惯性测量单元整体进行模块划分，划分成结构底座模块、连接螺钉模块、阻尼胶模块、 电池盒模块。分别设定结构底座模块、连接螺钉模块、阻尼胶模块、电池盒模块各自的强度、刚度、形变阀值。步骤2、根据用户要求对步骤1中划分的各模块进行结构设计，确定各个模块的形状、壁厚、器件的布局和形状，完成CAD (Computer Aided Design，计算机辅助设计)建模；对步骤1中划分的各模块进行模块结构设计，针对惯性测量单元内部敏感器件的摆放位置和相互之间的影响关系，确定各个模块的形状、壁厚、敏感器件的安装位置。步骤3、应用CAE (Computer Aided Engineering,计算机辅助工程)结构分析方法对设计后的各模块组合成的惯性测量单元的外壳结构进行模拟分析；首先，将设计后的各模块进行组合，各模块间的粘贴面都设置为接触面，将惯性测量单元外壳按照实际应用中的安装形式进行边界约束，即对惯性测量单元的基准面安装孔施加边界位移约束；然后，对惯性测量单元的外壳结构进行模态分析和谐响应分析、对运输过程中受到的轻微振动进行受力和形变分析、对安装过程中的受力和形变进行分析、对冲击载荷时的受力和形变进行分析，得到惯性测量单元外壳结构的固有振动频率、固有振型、在固有振动频率下各节点的形变、在振动情况下的受力和形变、在安装过程中产生的强度、刚度、形变、在冲击过程中的强度、刚度、形变。具体如下1)对惯性测量单元的外壳结构进行模态分析和谐响应分析；对惯性测量单元的外壳结构进行模态分析，得到惯性测量单元外壳结构的固有振动频率和固有振型；利用惯性测量单元外壳结构的模态分析得到的固有振动频率，对惯性测量单元的外壳结构进行谐响应分析，得到惯性测量单元的外壳结构在固有振动频率下各节点的形变。2)对惯性测量单元的外壳结构在运输过程中受到的轻微振动进行受力和形变分析；对惯性测量单元的外壳结构进行振动分析，得到惯性测量单元的外壳结构在振动情况下的受力和形变。3)对惯性测量单元的外壳结构在安装过程中的受力和形变进行分析；对惯性测量单元的外壳结构进行静力分析，施加的力为安装过程中惯性测量单元受到的外力，得到惯性测量单元的外壳结构在安装过程中产生的强度、刚度、形变。4)对惯性测量单元的外壳结构在冲击载荷时的受力和形变进行分析。对惯性测量单元的外壳结构进行冲击分析本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种惯性测量单元外壳结构的优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤１、将惯性测量单元外壳结构进行模块划分，设定各模块的强度、刚度、形变阀值；步骤２、根据用户要求对步骤１中划分的各模块进行结构设计，确定各模块的形状、壁厚、器件的布局和形状，完成计算机辅助设计建模；步骤３、应用计算机辅助工程结构分析方法对设计后的各模块组合成的惯性测量单元的外壳结构进行模拟分析，得到惯性测量单元外壳结构的固有振动频率、固有振型、在固有振动频率下各节点的形变、在振动情况下的受力和形变、在安装过程中产生的强度、刚度、形变、在冲击过程中的强度、刚度、形变；步骤４、根据计算机辅助工程结构分析方法获得的惯性测量单元外壳结构的参数值得到惯性测量单元外壳结构的整体形变、谐振频率、强度和刚度分布情况；步骤５、若划分后的一个或多个模块的强度、刚度或形变参数值超过设定的阀值，则提出惯性测量单元外壳结构的优化方案，对划分的各模块重新进行结构设计，确定各模块的形状、壁厚、器件的布局和形状，完成计算机辅助设计建模，返回步骤３；否则，此次设计的惯性测量单元外壳结构的各模块形状、壁厚及惯性敏感器件的布局和形状符合要求，完成惯性测量单元外壳结构的设计。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苏中，李擎，范军芳，蒋工，刘宁，刘洪，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：11