專利名稱：一種基于多場耦合的加速度計振動時效仿真方法
技術領域：
本發明涉及一種加速度計振動時效仿真方法，特別是涉及一種基于多場耦合的加速度計振動時效仿真方法，屬于有限元仿真技術領域。
背景技術：
加速度計是把運動物體的加速度通過各種測量手段轉化為電信號的傳感器裝置。 石英撓性加速度計體積小、響應快、靈敏度高，在精確制導、航空航天等眾多領域都得到了廣泛應用。但是，石英撓性加速度計在使用過程中會發生參數漂移的現象，這對導航精度造成了很大的影響。目前，石英撓性加速度計參數漂移方面的研究多集中于漂移誤差建模及補償技術方面，這些方法未進行參數漂移的機理分析，因而無法為加速度計的設計改進提供依據。研究表明，加速度計在使用過程中產生參數漂移的一個主要機理是殘余應力的變化，這種殘余應力是制造、裝配過程中產生的，卻未在工藝階段完全消除。對于石英撓性加速度計這種精密儀表來說，殘余應力變化造成的微小的變形也將造成結構的不穩定，從而產生參數漂移。加速度計的磁鋼與預負載環是通過激光焊接裝配的。由于激光焊接溫度高、梯度大，焊件受熱不均勻，必然會產生焊接變形和殘余應力。消除殘余應力的方法有三種，自然時效、熱時效和振動時效。振動時效(VSR， Vibration Stress Relief)是利用振動方式消除機械結構的殘余應力，以提高構件的幾何尺寸穩定性的方法。振動時效在70年代起源于美國，后被廣泛用于消除焊接部位的殘余應力，消除的機理是當焊接部位的殘余應力與外界振動應力之和大于材料的屈服極限時，該部位產生塑性變形，應力得以釋放。由于激光焊接部位尺寸小，殘余應力很難測量，因此很難評估振動時效對殘余應力的消除效果。近年來，有限元數值計算方法廣泛的應用于工程領域。利用有限元的方法對振動時效過程進行仿真，可以直觀的觀察殘余應力變化情況，為振動時效試驗的設計提供依據。通過對現有技術的查新及檢索，國內外還沒有開展利用石英撓性加速度計振動時效過程仿真方面的研究。

發明內容
1、目的本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于多場耦合的加速度計振動時效仿真方法，它通過熱、結構、振動等多物理場的有限元耦合仿真，得到殘余應力在VSR后的分布狀態，一方面可用于評定VSR對殘余應力消除的效果，另一方面通過對比多種不同的振動應力對消除殘余應力的影響，尋找最優的VSR振動剖面，從而提高加速度計的穩定性和導航的精度。2、技術方案本發明是通過以下技術方案實現的，在VSR對消除焊接部位殘余應力作用的機理分析的基礎上，首先利用熱力耦合方法，仿真激光焊接的過程，然后通過自然冷卻，將殘余應力保留在焊接的部位，最后對留有殘余應力的焊接部位進行時域動態仿真， 得到殘余應力的分布情況。
本發明一種基于多場耦合的加速度計振動時效仿真方法，其具體步驟如下步驟一激光焊接過程仿真，主要包括a.結合焊接殘余應力產生和消除的機理來選擇有限元單元。激光焊接過程中，熱流密度很高的激光束作用于面積很小的焊接部位，使材料局部熔化、汽化，造成被焊部位受熱不均，冷卻過程中的溫度變化產生殘余應力。而VSR消除殘余應力的原理是產生了塑性變形，因此選擇熱結構耦合單元，且需要同時滿足以下條件(1)三維六面體耦合單元；(2) 具有溫度自由度( 具有結構自由度；(4)能夠進行瞬態動力學仿真；( 能夠產生塑性變形；b.輸入各部件的材料屬性結合仿真類型輸入仿真需要用到的各部件材料屬性， 仿真過程中的主要材料為石英、低膨脹合金、不銹鋼合金；材料參數包括熱仿真中需要的導熱率，結構和振動仿真中需要的密度、彈性模量、泊松比，熱膨脹系數，為了描述材料的塑性屬性，選用雙線性隨動強化模型，需要輸入最多五個溫度點的材料的屈服極限和屈服后的彈性模量；C.建立加速度計幾何模型，首先對加速度計的各結構部件進行相應的簡化，只建立被焊接的軟磁體、預負載環，忽略其他的部件；其次，根據結構的對稱性，只建立軟磁體、 預負載環的二分之一模型，為了方便將整體劃分為質量較高的六面體單元，將軟磁體切分成幾部分，分別進行建模；d.劃分網格，形成有限元模型，主要包括給各幾何部件賦予材料屬性以及利用掃略的方式生成網格。為了生成均勻的六面體單元，將構成結構的主要特征線劃分成長度大致相同的等份，例如，對于圓柱體，特征線為上下圓面的外環線以及徑向線。e.施加約束及載荷，主要包括對稱約束、零位移約束、熱邊界條件、預緊力、熱流密度載荷。在結構對稱面上施加法向對稱約束；在焊接過程中，加速度計的固支部位施加各向零位移約束和預緊力。在所有與空氣相接觸的面上施加對流換熱系數邊界條件；在焊接部位施加熱流密度載荷。f.進行熱結構耦合仿真，選擇仿真類型為瞬態，設置結果輸出條件，保存數據文件并進行求解。其中，在步驟一 e中所述的在焊接部位施加熱流密度載荷，其具體做法的步驟如下1)定義熱源中心的χ、y、ζ坐標分別為a、b、c ；定義焊接電壓為Q，有效熱半徑為 r,則熱流密度為 qmax = 3*Q/ (Ji *r#2)；幻通過、et命令讀取預負載環外圓周面上單元編號的最小值ne min和最大值ne max ；3)循環變量為i，i值從ne min開始增大，步長為1，讀取每個單元的中心坐標分別為xsy、ysy、zsy，則該單元中心點距離熱源中心的距離為rr = sqrt ((xsy_a) #2+(ysy-
b)氺氺2+(zsy_c)氺氺2)；4)如果rr ^ r,則對該單元施加熱流密度；如果rr > r,則對該單元不施加熱流密度；5)當i值增大至ne max時，則結束循環。 步驟二 自然冷卻，保留殘余應力，保持模型不變，刪除熱流密度載荷，仿真自然冷卻的過程，仍然進行熱結構耦合瞬態仿真。步驟三施加振動應力，進行時域動態仿真，主要包括a.施加VSR過程的約束及載荷，主要包括刪除激光焊接仿真過程中的零位移約束和預緊力，根據VSR試驗中加速度計的固定方式施加零位移約束，并在固支點上施加隨時間變化的正弦振動載荷。b.進行振動瞬態動力學仿真，選擇仿真類型為瞬態仿真，打開瞬態效應選項，設定載荷為階躍加載，設置載荷時間和載荷子步數，設置結果輸出條件，保存數據文件并進行仿真計算，可求得在施加振動后焊接部位應力變化。其中，在步驟三a中所述的在固支點上施加隨時間變化的正弦振動載荷，其具體做法的步驟如下1)定義正弦振動最大振幅為DDAMP，振動頻率為FREQ，振動周期數為NC，每個振動周期上取NN個點，則每個載荷步的時間間隔為dt = 1/FREQ/NN,總的載荷步數為NT = NONN ；2)設置振動開始時間為tt，循環變量為i，i值從1開始增大，步長為1，則每經過 1次循環時間為tt = tt+dt，該時刻振動的幅值為dd = DDAMP*sin(FREQ*2* π *tt)；3)選擇需要施加載荷的節點，并以斜坡方式施加振動應力dd，求解；4)當i值增大至NT時，則結束循環。通過對石英撓性加速度計焊接過程及振動時效的仿真，最終可以獲得加速度計焊接部位殘余應力隨時間的變化曲線，為評估殘余應力消除情況，設計振動時效試驗剖面提供依據；3、優點及功效本發明具有以下優點1)采用有限元參數化設計語言(APDL)。從單元的設置、材料屬性的輸入、幾何模型建立、網格劃分到進行熱力耦合仿真、振動瞬態仿真，均采用APDL語言實現，該方法不僅可以避免由圖形用戶界面(GUI)操作產生的人為誤操作，而且可以根據需要修改結構、材料、載荷參數，方便進行結果的對比與方案優選。2)通過仿真激光焊接及其冷卻過程，在結構中形成殘余應力。這種方法避免了利用數據文件導入假設的殘余應力的方式，殘余應力的分布及量值更接近實際的情況，仿真的結果更為可信。3)能夠通過仿真的結果研究不同的VSR試驗參數對焊接殘余應力消除的作用及效果，通過對比不同的效果，合理的選擇VSR的最佳參數組合。


圖1是本發明方法流程框圖。圖2是加速度計焊接部位的結構組成示意示意圖。圖3是本發明實施例的加速度計焊接部位幾何模型示意圖。圖4是本發明實施例的加速度計有限元模型示意圖。圖5是本發明實施例的加速度計焊接部位在焊接及振動時效過程中的應力變化示意圖。圖6是本發明實施例的加速度計焊接部位在焊接及振動時效過程中的應力變化示意圖的局部放大中符號說明如下1、軟磁體；2、預負載環；3、軟磁體。
具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。以下實施例是按照如圖1所示的流程進行實施的，主要包括使用ANSYS軟件對激光焊接過程仿真；仿真自然冷卻，保留殘余應力的過程；施加振動應力，仿真VSR對消除殘余應力的效果。加速度計焊接部位的結構組成如圖2所示，主要由軟磁體1、3和預負載環 2組成。見圖1，本發明一種基于多場耦合的加速度計振動時效仿真方法，該方法具體步驟如下步驟一激光焊接過程仿真，主要包括a.選擇有限元單元，根據焊接殘余應力產生和消除的機理選擇熱結構耦合單元， 且需要同時滿足以下條件(1)三維六面體耦合單元；；(2)具有溫度自由度(3)具有結構自由度；⑷能夠進行瞬態動力學仿真；(5)能夠產生塑性變形；通過對ANSYS有限元單元庫中的單元進行分析發現S0LID5單元具有以下特性三維六面體單元，能夠進行熱結構耦合，能夠進行瞬態動力學仿真，支持塑性變形。因此將選用S0LID5單元進行加速度計焊接部位的有限元建模與仿真。b.輸入各部件的材料屬性結合仿真類型輸入仿真需要用到的各部件材料屬性， 仿真過程中的主要材料為低膨脹合金；材料參數包括熱仿真中需要的導熱率，結構和振動仿真中需要的密度、彈性模量、泊松比，熱膨脹系數如表1所示，為了描述材料的塑性屬性， 選用雙線性隨動強化模型，需要輸入最多五個溫度點的材料的屈服極限和屈服后的彈性模量，如下列表1、表2所示；表1低膨脹合金的材料屬性
權利要求
1.一種基于多場耦合的加速度計振動時效仿真方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一激光焊接過程仿真；包括a.結合焊接殘余應力產生和消除的機理來選擇有限元單元；激光焊接過程中，熱流密度很高的激光束作用于面積很小的焊接部位，使材料局部熔化、汽化，造成被焊部位受熱不均，冷卻過程中的溫度變化產生殘余應力；而VSR消除殘余應力的原理是產生了塑性變形， 因此選擇熱結構耦合單元，且需要同時滿足以下條件(1)三維六面體耦合單元；(2)具有溫度自由度；(3)具有結構自由度；(4)能夠進行瞬態動力學仿真；(5)能夠產生塑性變形；b.輸入各部件的材料屬性結合仿真類型輸入仿真需要用到的各部件材料屬性，仿真過程中的材料為石英、低膨脹合金、不銹鋼合金；材料參數包括熱仿真中需要的導熱率，結構和振動仿真中需要的密度、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數，為了描述材料的塑性屬性，選用雙線性隨動強化模型，需要輸入最多五個溫度點的材料的屈服極限和屈服后的彈性模量；c.建立加速度計幾何模型；首先對加速度計的各結構部件進行相應的簡化，只建立被焊接的軟磁體、預負載環，忽略其他的部件；其次，根據結構的對稱性，只建立軟磁體、預負載環的二分之一模型，為了方便將整體劃分為質量較高的六面體單元，將軟磁體切分成幾部分，分別進行建模；d.劃分網格，形成有限元模型；包括給各幾何部件賦予材料屬性以及利用掃略的方式生成網格；為了生成均勻的六面體單元，將構成結構的特征線劃分成長度大致相同的等份， 例如，對于圓柱體，特征線為上下圓面的外環線以及徑向線；e.施加約束及載荷，包括對稱約束、零位移約束、熱邊界條件、預緊力、熱流密度載荷； 在結構對稱面上施加法向對稱約束；在焊接過程中，加速度計的固支部位施加各向零位移約束和預緊力；在所有與空氣相接觸的面上施加對流換熱系數邊界條件；在焊接部位施加熱流密度載荷；f.進行熱結構耦合仿真，選擇仿真類型為瞬態，設置結果輸出條件，保存數據文件并進行求解；步驟二 自然冷卻，保留殘余應力，保持模型不變，刪除熱流密度載荷，仿真自然冷卻的過程，仍然進行熱結構耦合瞬態仿真；步驟三施加振動應力，進行時域動態仿真；包括a.施加VSR過程的約束及載荷；包括刪除激光焊接仿真過程中的零位移約束和預緊力，根據VSR試驗中加速度計的固定方式施加零位移約束，并在固支點上施加隨時間變化的正弦振動載荷；b.進行振動瞬態動力學仿真，選擇仿真類型為瞬態仿真，打開瞬態效應選項，設定載荷為階躍加載，設置載荷時間和載荷子步數，設置結果輸出條件，保存數據文件并進行仿真計算，求得在施加振動后焊接部位應力變化。
2.根據權利要求1所述的一種基于多場耦合的加速度計振動時效仿真方法，其特征在于在步驟一 e中所述的在焊接部位施加熱流密度載荷，其具體做法的步驟如下1)定義熱源中心的X、1、ζ坐標分別為a、b、c ；定義焊接電壓為Q，有效熱半徑為r，則熱流密度為 q max = 3*Q/( π *r#2)；22)通過*get命令讀取預負載環外圓周面上單元編號的最小值nemin和最大值nemax ；3)循環變量為i，i值從nemin開始增大，步長為1，讀取每個單元的中心坐標分別為 xsy、ysy、zsy，則該單元中心點距離熱源中心的距離為rr = sqrt ((xsy_a) #2+(ysy_b) #2 + (zsy-c)**2)；4)如果rr( r,則對該單元施加熱流密度；如果rr > r,則對該單元不施加熱流密度；5)當i值增大至nemax時，則結束循環。
3.根據權利要求1所述的一種基于多場耦合的加速度計振動時效仿真方法，其特征在于在步驟三a中所述的在固支點上施加隨時間變化的正弦振動載荷，其具體做法的步驟如下1)定義正弦振動最大振幅為DDAMP，振動頻率為FREQ，振動周期數為NC，每個振動周期上取NN個點，則每個載荷步的時間間隔為dt = 1/FREQ/NN，總的載荷步數為NT = NONN ；2)設置振動開始時間為tt，循環變量為i，i值從1開始增大，步長為1，則每經過1次循環時間為tt = tt+dt，該時刻振動的幅值為dd = DDAMP*sin(FREQ*2* π *tt)；3)選擇需要施加載荷的節點，并以斜坡方式施加振動應力dd，求解；4)當i值增大至NT時，則結束循環。
全文摘要
一種基于多場耦合的加速度計振動時效仿真方法，該方法有三大步驟步驟一激光焊接過程仿真；步驟二自然冷卻，保留殘余應力，保持模型不變，刪除熱流密度載荷，仿真自然冷卻的過程，仍然進行熱結構耦合瞬態仿真；步驟三施加振動應力，進行時域動態仿真。本發明通過熱、結構、振動等多物理場的有限元耦合仿真，得到殘余應力在VSR后的分布狀態，一方面用于評定VSR對殘余應力消除的效果，另一方面通過對比多種不同的振動應力對消除殘余應力的影響，尋找最優的VSR振動剖面，從而提高加速度計的穩定性和導航的精度。它在航空航天及有限元仿真技術領域里具有良好的應用前景。
文檔編號G06F17/50GK102542117SQ201210004049
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者侯澤兵, 劉丙棟, 康銳, 陳穎 申請人:北京航空航天大學