摘要:该文采用有限元法对液浮摆式加速度计在过载振动复合环境中的动力学特性进行研究,提出一种反映动力学环境下液浮摆式加速度计结构振动特性的误差模型。设计了基于Simulink的复合环境下液浮摆式加速度计测量误差的仿真框图。并对过载振动复合环境下液浮摆式加速度计测量误差进行仿真,得到复合环境下液浮摆式加速度计测量误差的规律。研究　　表明,液浮摆式加速度计在过载振动复合环境下,因为结构变化而产生了较大的工作误差,这些误差的表现形式相当复杂,在单一环境实验中是无法体现的。

　　1　引言

　　液浮摆式加速度计是惯性导航和惯性制导系统的基本测量元件之一,它安装在弹内部,测量弹的运动加速度,并通过对加速度的积分,求得其速度和位置[1]。因此,加速度计的性能和精度直接影响导航和制导系统的精度。液浮摆式加速度计作为飞行器制导系统的测量元件,在起飞段和通过大气层时,受到大过载和高强度振动等过载振动复合环境因素的复合作用。这种复杂的环境对液浮摆式加速度计的测量精度将造成附加的影响,形成附加误差。飞行器飞行过程与地面测试存在着“天地环境差”,使得由地面单一环境测试得出的误差模型与实际飞行有很大的差别。航空、航天设备普遍工作于过载和振动等同时作用的复合动态环境中,过载和振动的复合正是过载振动复合环境的表现形式。因此对液浮摆式加速度计测量误差的研究,必须和过载振动复合环境相结合。本文采用有限单元法,借助于仿真软件ANSYS对液浮摆式加速度计进行分析,分析其在过载振动复合环境浮子件中检测质量m的形变和位移情况,为后续建立加速度计的动态误差模型及仿真提供依据。

　　2　液浮摆式加速度计的动态结构分析

　　2. 1　动力学建模

　　加速度计中的浮子摆组件是测量视加速度的核心元件,在对摆式加速度计进行动力学建模的时候,重点对浮子摆组件进行分析。根据浮子摆组件的外部几何特征,对它建立三维实体模型。如图1所示。

　　2. 2　结构模态分析

　　考虑到高阶振型对结构振动的贡献较小,因而只取结构的前5阶振型,采用分块兰索斯法(Block Lanczos),各阶振型对应的结构固有频率见表1。

　　对应于各阶振型的变形情况可通过观察结构的动态振型得到如图2所示:从图2a可以看出,主要表现其中的检测质量绕摆轴的摆动并带动整个浮子摆组件沿摆轴振动。在图2b中,可以发现检测质量绕输出轴摆动并带动整个浮子摆组件沿输出轴振动。在图2c中,可以发现主要是浮子件绕输入轴方向上下振动。在图2d中,可以发现主要是浮子件绕输入轴方向一致振动。在图2e中,可以发现主要是浮子件绕输入轴方向一致振动。从以上分析可以看出浮子摆组件的前几阶振型主要表现为其中的检测质量的位移。

　　2. 3　谐响应分析

　　ANSYS软件根据模态分析所得到的振型来计算谐响应。在浮子摆组件的摆轴上施加20g的简谐加速度载荷,在摆组件的输入轴上施加20g的简谐加速度载荷,圆频率都是500Hz,同时加入20g的过载,在谐响应分析后,经扩展处理计算出在所有自由度处的位移、应力和力的解。挑出检测质量中的具有代表性的共10个节点,用它们的位移情况来代表检测质量的形变和位移情况,见表2

　　通过以上分析和计算,可以看出施加复合载荷时,检测质量在摆轴方向上出现约0·03微米的偏移,在输入轴方向上出现了约0·036微米的偏移。为建立加速度计的动态误差模型及仿真提供依据。

　3　过载振动复合环境下液浮摆式加速度计的误差模型

　　液浮摆式加速度计通用的静态干扰力矩方程[1][2]:

　　3. 1　液浮摆式加速度计结构振动

　　当外界振动导致的变化的比力作用到液浮摆式加速度计上时,会引起液浮摆式加速度计的结构振动,即液浮摆式加速度计上各点按以下规律运动[3]:

　　3. 2　变化过载引起的干扰力矩

　　变化的过载是动态复合环境的表现形式,但是由此产生的干扰力矩不同于动态干扰力矩。相反,这种干扰力矩的产生的原理类似于静态干扰力矩,即结构变形引起的干扰力矩。描述这种干扰力矩,需要对静态干扰力矩模型作如下修正:惯性仪器结构变形的规律不再是广义虎克定律,而是式(3)所表示的运动规律。由式(3),得

　　3. 3　过载振动复合环境下的误差模型

　　综上所述,得到过载振动复合环境下液浮摆式加速度计所受的干扰力矩:

4　基于Simulink的液浮摆式加速度计仿真

　　液浮摆式加速度计的仿真模型,是在各个环节子系统的基础上搭建[4],它着重考虑各个环节的输入与输出[5],液浮摆式加速度计仿真的总框图如图3,由此考察液浮摆式加速度计对各种不同输入的响应。这部分的仿真,全部假设液浮摆式加速度计处于理想稳态,有效输入为0,这样,它的输出只反映干扰造成的漂移。环境因素(比力)加在静态干扰力矩模块的三个输入端。其中加速度计输入轴的过载既是有效输入,又是干扰源;加速度计的输出为角度。

　　4. 1　三向过载对输出的影响

　　此类仿真反映了加速度几个方向过载的耦合。其中过载输入的单位为g。

　　当不同方向的过载以不同的大小作用时,因为加速度计存在结构变形,引起各方向过载的耦合,其输出规律比较复杂,表3给出了部分仿真值(表中字母为方向,数字为过载值)。

　　由其中I、O向的四组数据(加下划线)发现,当过载值变大时,过载耦合造成的误差越来越突出。

　　4. 2　各种频率的振动对输出的影响

　　此类仿真反映了加速度计系统对振动的响应。表4给出了I向峰值为5g振动的不同振动频率对加速度计稳态输出(无有效输入)的影响。以I向峰值为5g、频率100Hz振动时为例,其稳态输出曲线是一个与加载的振动同频率的振动,但波形不再是正弦波,见图4。

　　4.3　过载振动复合对输出的影响

         由于耦合、滤波、平方项等共同作用,过载振动复合对输出的影响不但不是两者独立对输出影响的简单相加,而且还会有严重的波形变化,表5、6是两个仿真实例结果。

　　5　结论

　　通过对加速度计的仿真,可以得到下列结论:

　　1)加速度计工作误差随过载变化规律成二次曲线,随着过载变大,加速度计结构变形造成的干扰力矩对其输出的作用越来越占优势。

　　2)各向过载互相耦合,对加速度计的漂移造成复杂的影响。

　　3)加速度计在过载作用下的结构变形使误差模型中存在比力的平方项和耦合项,这就使得均值为0的变化过载(包括正弦的和随机的)造成其输出的单侧误差,误差随着过载变化强度的增长而增长。

　　本文的仿真合理地反映了过载振动复合环境下加速度计的特点、工作情况,为复合环境下加速度计误差分析提供了依据。所得到的结果说明了加速度计测量误差放到过载振动复合环境下研究是必要和可行的。但由于动力学环境较复杂,还有许多仿真工作需进一步完善。

　　参考文献:

　　[1]　钟万登,等.液浮惯性器件[M].宇航出版社, 1994.

　　[2]　陆元九,等.惯性器件[M].宇航出版社, 1990.

　　[3]　左鹤声,彭玉莺主编.振动实验模态分析[M].中国铁道出版社, 1995.

　　[4]　姚俊,马松辉编著. Simulink建模与仿真[M].西安电子科技大学出版社, 2002.

　　[5]　王跃钢,彭云辉.过载振动复合环境下积分陀螺仪结构分析[J].惯性技术学报, 2003, 11(6): 80 -83.

　　[作者简介]

　　彭云辉(1978 -),男(汉族),江苏南通人,博士生,主要从事惯性技术、惯导系统初始对准、非线性滤波技术研究。

　　缪　栋(1940-),男(汉族),江苏无锡人,教授,博士生导师,主要从事精确制导、图像匹配制导技术研究。

　　王跃钢(1958-),男(汉族),四川自贡人,教授,硕士生导师,主要从事惯性技术研究。

　　郭志斌(1978-),男(汉族),河北石家庄人,硕士,助教,主要从事惯性技术研究。

上一篇 : 暂无             下一篇 : 烤地瓜机 烤地瓜机烤地瓜的原理