一种摆式加速度计结构模态分析

2014-06-06尉飞艳赵君辙张朋好

计测技术 2014年2期

尉飞艳，赵君辙，张朋好

（中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095）

0 引言

加速度计用来测量运载体的飞行线加速度，是惯性导航系统的核心部件之一，经常工作在振动环境下。若加速度计结构的各阶模态频率与工作环境振动频率接近，且工作环境振动频率在其力反馈回路通频带之内时，就会产生振动误差，降低加速度计的工作准确度，甚至使加速度计无法正常工作［1］。

本文利用有限元分析软件ANSYS对一种摆式加速度计进行结构模态分析，然后根据模态分析结果进行优化设计，使加速度计结构的各阶模态频率处于该型加速度计的通频带之外，从而减小振动环境带来的误差。

1 加速度计结构实体模型建立

加速度计的主要部件是底座和摆组件，可针对这两部分进行模态分析。模态分析的一般过程为:首先建立结构的实体模型，然后进行网格划分，再进行模态分析，最后根据模态分析的结果进行优化［2］。图1是加速度计模态分析流程图。

图1 模态分析流程图

实体模型的建立采用参数化建模方式，参照工程图逐一步建立3D模型，这样可以很方便地对模型进行修改。图2和图3分别是加速度计底座和摆组件的简化实体模型。

图2 底座实体模型

图3 摆组件实体模型

2 材料属性的确定

在模态分析时，必须定义材料的弹性模量、泊松比和密度。各种材料特性见表1。

表1 加速度计材料特性表

3 划分网格，建立有限元模型

3.1 底座有限元模型

由于底座结构材料单一，且结构比较均匀，无过薄及悬梁结构，因此采用8节点的solid185实体单元。划分网格时采用自动划分方式，划分精度选为6级，模型共生成了247675个单元363675个节点，见图4。因为该型加速度计是通过底座上的三个螺孔由安装螺钉固定在主机上的，所以对底座的三个螺孔的内环面施加全自由度约束，使其位移量为零。

图4 底座有限元模型

3.2 摆组件有限元模型

摆组件由多种材料组成，结构较复杂，所以划分网格也比较复杂。摆组件的摆框架、涡流片、石英管及胶膜采用20节点的solid95实体单元，穿过石英管的悬丝采用8节点的shell93单元，模态计算采用mapped矩形网格划分方式，模型共生成了3921个单元，15507个节点。摆组件是通过悬丝两端固定在悬丝柱上的，所以对悬丝两端节点施加全自由度约束，使其位移量为零［3］。见图 5。

图5 摆组件有限元模型

4 模态分析结果

底座和摆组件模态分析时均采用分块兰索斯法（Block Lanczos），起始频率设置为0，终止频率不限制。由于结构的振动能量主要集中在低阶模态，因此，对底座和摆组件提取前6阶固有频率值及对应的振型。表2是底座的阶数和对应的频率，表3是摆组件的阶数和对应的频率。

从表2可以看出底座的各阶模态频率远远大于该型加速度计的工作环境频率20～2000 Hz，这说明底座具有良好的抗振性能。从表3可以看出摆组件的第4阶、第5阶和第6阶模态频率位于工作环境频率之内。

由于该型加速度计可等效为低通滤波器，其截止频率的典型值为100 Hz，且其工作环境频率为20～2000 Hz，所以，处于20～100 Hz之间的第4阶和第5阶模态在振动环境条件下会产生振动误差。因此，必须对摆组件结构进行优化设计，使其各阶模态频率不处于20～100 Hz之内。

表2 底座前6阶振型频率

表3 摆组件前6阶振型频率

5 摆组件优化后模态分析结果

根据加速度计结构无阻尼振荡角频率计算公式［4］:

式中:ωn为无阻尼振荡角频率，rad/s;ks为悬丝扭转刚度，N·m/rad;Jo为摆组件相对输出轴的转动惯量，kg·m2。

该型摆式加速度计可通过增加悬丝刚度，减小质量的方法进行优化设计，提高各阶模态频率［5］。根据现有的生产工艺条件，增大悬丝的弹性模量、缩短悬丝长度是增加悬丝支承刚度的最简单有效的措施;减小质量可通过修改胶膜厚度和摆框架厚度来实现，具体优化参数见表4，摆组件优化后模态分析结果见表5。从表5可以看出，优化后的摆组件各阶模态频率均处于该型加速度计的通频带之外。