一种双质量硅微陀螺仪

双质量块结构形式的硅微陀螺仪能够有效消除轴向加速度等共模干扰的影响。利用结构解耦方法设计了一种新型的双质量双线振动式硅微机械陀螺仪。依据双质量硅微陀螺的结构和工作原理,通过简化的动力学方程,对该陀螺的驱动和检测模态进行了理论分析,并利用Ansys有限元软件对陀螺的驱动和检测模态进行了数值仿真。仿真结果表明,该陀螺结构设计能够实现驱动和检测模态的完全解耦,从而验证了设计思想的正确性。通过仿真,得到了驱动和检测模态的仿真频率值。在对微陀螺加工所采用的加工工艺进行简单介绍后,对加工出的硅微机械陀螺仪样品的模态频率值进行了电路测试。由于加工误差的存在,实验得到的驱动和检测频率值与仿真设计值存在1.6%的误差。最后在转台上对样品的标度因数进行了测定,得到了该双质量硅微陀螺仪的标度因数为2.518mV/((°)?s-1)。     

无驱动微机械陀螺敏感元件模态分析

鉴于常规微机械陀螺的驱动结构和检测结构往往需要进行频率匹配,造成带宽较窄,工艺复杂的问题,设计了一种新的微机械陀螺,安装于旋转飞行器上,利用飞行器的旋转获得角动量,敏感飞行器的偏航和俯仰横向角速度。由于没有驱动结构,所以结构简单,带宽较宽。首先基于这种巧妙的结构建立了敏感元件的振动方程。根据振动方程,扭转梁是影响质量振动模态和模态频率的关键,同时考虑到应力、残余应力的释放以及工作能力,扭转梁设计成横截面积为矩形的弧形梁,并对其抗扭刚度进行了解析推导和计算,从而确定了敏感元件的固有频率。接着利用有限元分析的方法,对其振动模态进行了仿真,仿真结果表明,敏感元件的第一模态是扭转振动,固有频率相对于解析结果的误差为9.86%。为了进一步验证,设计了静电驱动电容检测的方法,实验测试得到的谐振频率和解析值的相对误差为5.21%。仿真和实验结果与理论计算一致,表明扭转梁的设计是合理的,模态分析是正确的,而且为动态性能评估和结构优化提供了理论依据。     

谐振子支柱偏心误差对谐振子振动特性影响分析(英文)

半球壳谐振子是半球谐振陀螺的核心部件。基于弹性力学的有限单元法建立了谐振子的弹性动力学有限元方程,得到谐振子自由谐振方程。为分析谐振子支柱偏心误差对谐振子振动特性的影响,利用有限元分析软件(ANSYS)建立了半球壳谐振子有限元模型,分析了理想谐振子和存在支柱偏心误差谐振子的二阶谐振状态振动特性。深入分析了支柱偏心误差对谐振子谐振频率和变形特性等振动特性的影响规律。通过对两种影响规律的比较分析得到,支柱偏心误差导致的频率差将会引起陀螺的随机漂移;而支柱偏心误差引起的变形将会影响陀螺的零偏,可以通过标定补偿。为减小支柱偏心误差对陀螺精度和性能的影响,偏心误差的加工误差范围应小于1.2μm,分析结果为谐振子的加工设计和结构误差分析提供了理论基础。     

一种MEMS多环谐振陀螺的品质因数在线测试方法

针对MEMS多环谐振陀螺品质因数的快捷有效测定问题,提出了一种应用于MEMS多环谐振陀螺的品质因数在线测试方法。基于对MEMS多环谐振陀螺的动力学模型分析,得到陀螺驱动模态振动位移稳态解的幅值与陀螺的品质因数相关性。为了把陀螺的品质因数从振动位移稳态解的幅值中提取出来,采用锁相环(PLL)实现对陀螺驱动模态谐振频率的实时跟踪,采用自动增益控制(AGC)实现对MEMS多环谐振陀螺振动位移的闭环稳幅驱动。通过提取锁相环输出的谐振频率和振动位移稳态解的幅值解算出陀螺的品质因数。该方法与传统的品质因数测试方法不同之处在于不需要通过数据采集、离线处理等步骤就可以在线自动获取陀螺的品质因数,大大提高了品质因数测试的工作效率。实验结果表明,在陀螺上电后0.6 s左右即可获得相对准确的品质因数结果。     

拱形薄壳结构的减振降噪优化设计

基于拱形薄壳结构的动力仿真, 提出结构振动噪音最小、满足重量约束的约束阻尼厚度优化
设计模型. 利用K-S函数得到结构的振动加速度级, 将其作为结构减振降噪效果的评定参数,
采用响应面方法拟合目标函数, 并对其进行误差检验, 适当缩小设计变量范围调整
误差后, 响应面曲线的拟合程度较好. 最后采用二次规划方法求解模型, 经过优化设计, 结构第一阶固
有频率增加22.97%, 振动加速度级值减小12.96%, 结构的性能得到了很大提高.     

MEMS环形谐振陀螺的结构设计与振动特性分析

针对环形谐振陀螺谐振结构特性参数相同、检测灵敏度高、温度与抗干扰特性好等特点,提出了一种新颖的S形挠曲支撑梁的电容式环形谐振陀螺。其环形谐振子的刚度系数、固有频率等振动特性参数是陀螺结构优化、模态控制、驱动与检测电路设计的主要理论参数。为了得到该陀螺精确的谐振子特性参数,基于角度敏感原理、谐振结构的材料力学性能与机械振动特性,推导了谐振结构的等效刚度系数与固有频率的理论模型,并且分别进行了有限元仿真分析与样机频率特性测试。结果表明该理论模型计算的固有频率与有限元分析的误差为7.0820%,与样机实际测试的误差为3.9035%,证明了理论模型的正确性,为该陀螺的进一步研究提供了理论依据。     

模态修型减振的旋翼桨毂谐波振动载荷计算

基于模态修型的方法推导了直升机旋翼桨叶根部剪力的计算公式,通过合成桨叶根部载荷推导了旋翼桨毂的谐波振动载荷公式。将本文建立的桨毂谐波载荷计算模型与商用软件CAMRAD计算出的结果进行对比,结果表明:本文所建立模型的旋翼计算频率与CAMRAD计算的频率相比,基阶频率计算误差在2%以内,前十阶频率误差都在8%以内;与已有文献试验测试的桨毂谐波振动载荷相比最大误差在25%以内。说明了本文建立的旋翼桨毂谐波振动载荷计算模型具有可行性和有效性。     

时间尺度函数法求解无阻尼达芬方程

提出了求解无阻尼达芬方程自由振动的新方法—时间尺度函数法。基于高斯-切比雪夫求积公式得到了达芬方程自由振动频率的精确解,消除了后续求解过程中振动频率未知的问题。将自由振动解表述为关于时间尺度函数的简谐函数,代入相轨迹方程导出了时间尺度微分方程,改变了达芬方程的求解途径。应用分离变量法和幂级数展开进行分析,发现达芬方程的时间尺度函数应当包含时间的线性项和周期函数项,进而提出了恰当的时间尺度函数表达式。通过引入求解条件确定了待定系数,得到了无阻尼达芬方程自由振动新解,并证明了该解在平衡点和极限位移点上没有误差。由于没有引入任何与弱非线性相关的近似假设,本方法在强非线性条件下具有高精度,当α=1、ε=100、A=10000时,自由振动位移的最大相对误差仅为0.011%左右。     

振动轮式微机械陀螺频率配置和气压选择

推导了振动轮式微机械陀螺的输出信号与输入角速度的幅频、相频关系,讨论了在不同的频率配置和品质因数下陀螺的灵敏度、带宽和零位稳定性。陀螺振动频率应设计在2kHz左右,检测轴自然频率比驱动轴高一个陀螺频带宽度。根据实测陀螺振动品质因数与气压的关系曲线,振动轮式微机械陀螺合适的工作气压是100Pa-1000Pa。     

MEMS多环陀螺热弹性阻尼温度特性分析

多环谐振陀螺热弹性阻尼的稳定性对陀螺的全温性能有重要影响。为了使阻尼的温度补偿有据可依,展开了多环谐振陀螺热弹性阻尼与温度关系的研究,利用理论计算与仿真相结合的方式建立了两者的数学模型。首先建立了常温下的多环谐振陀螺的热弹性阻尼数学模型,从中分析出结构形式、工作模态振型及材料参数决定了热弹性阻尼的大小,而其中只有结构层的材料参数对温度较为敏感。因此建立了材料参数的温变数学模型,并利用该模型与理论和仿真相结合的热能量法建立了高效的多环谐振陀螺热弹性阻尼温变模型。接着利用该模型与幂函数拟合出了热弹性阻尼与温度之间的表达式。最后通过实验验证了模型与表达式的准确性,将误差量化后,模型参数误差最大值小于1.7%。     

Dynamics of cantilever plates and its hybrid vibration control

Applying Lagrange–Germain’s theory of elastic thin plates and Hamiltonian formulation, the dynamics of cantilever plates and the problem of its vibration control are studied, and a general solution is finally given. Based on Hamiltonian and Lagrangian density function, we can obtain the flexural wave equation of the plate and the relationship between the transverse and the longitudinal eigenvalues.Based on eigenfunction expansion, dispersion equations of propagation mode of cantilever plates are deduced. By satisfying the boundary conditions of cantilever plates, the natural frequencies of the cantilever plate structure can be given.Then, analytic solution of the problem in plate structure is obtained. An hybrid wave/mode control approach, which is based on both independent modal space control and wave control methods, is described and adopted to analyze the active vibration control of cantilever plates. The low-order(controlled by modal control) and the high-order(controlled by wave control) frequency response of plates are both improved. The control spillover is avoided and the robustness of the system is also improved. Finally, simulation results are analyzed and discussed.     

环形桁架结构径向振动的等效圆环模型

在大型环形网架式可展天线中,环形桁架结构的动力学性能对于整个天线的工作状态至关重要.针对大型空间桁架结构,基于连续体等效的思想,将其动力学模型简化为简单的弹性连续体模型一直是动力学研究的热点.将环形桁架结构看作由重复的平面桁架单元构成的环形周期结构,在周期桁架单元等效梁模型的基础上,提出采用不计剪切变形和转动惯量的等效圆环模型分析环形桁架结构的径向振动,并对等效圆环模型的偏微分运动方程进行了解析求解.首先通过变量代换将描述圆环径向振动的四阶偏微分方程组降阶为一阶偏微分方程组,然后通过对降阶后的偏微分方程组进行Laplace变换将其转化为常微分方程组,并采用微分方程组的Green函数解法,获得了等效圆环模型在复频域下动力响应的解析表达式,进而得到等效圆环模型固有振动的特征方程及传递函数的表达式.最后通过数值算例对环形桁架有限元模型与等效圆环模型的固有频率和振型以及传递函数进行了对比分析,验证了等效圆环模型用于环形桁架结构径向振动分析的可行性.     

Control of nonlinear vibrations of vibrating ring microgyroscope

The influence of the basement rotation on the variations in the spectrum of vibration frequencies of thin elastic shells and rings was known already at the end of the 19th century [1]. The physical phenomenon of inertness of elastic waves occurring free vibrations of an axisymmetric body, first explained in [2], were practically used in developing new types of gyros [2–6]. The foundations of the theory of wave gyros were laid in [2, 4], and the errors of such gyroscopes for various shapes of the vibrating resonator were studied in [2, 4, 7, 8]. It was shown that the error of the resonator manufacturing (the variable density, thickness, anisotropy of the material elastic properties, etc.) [2, 8] and the geometric nonlinearity of the resonator flexural vibrations studied in [2, 7] lead to splitting of the natural frequency of flexural vibrations [2], which is reflected in the wave picture of the resonator vibrations and characterizes the gyroscope precision.In the present paper, we study the errors of the vibrating microgyroscope which arise because of nonlinear elastic properties of the ring resonator material. We construct a control of the potential on the electrodes which allows one to maintain the prescribed amplitude of the normal resonator deflection and compensate for the gyroscope errors arising because of the nonlinear elastic properties of the material.     

超低频振动能量收集器中夹片弹簧结构的建模与验证

针对一类基于夹片弹簧的压电振动能量收集器,利用材料力学莫尔积分理论建立了振荡俘能结构中夹片弹簧的等效刚度模型,通过万能拉伸试验机验证了模型精度。在此基础上,讨论了夹片弹簧刚度线性简化的两种途径：拉伸曲线线性拟合和固有频率修正。研究结果表明,从夹片弹簧拉伸曲线上看,将其等效成线性弹簧具有一定的合理性;而在实际振动能量收集器结构中,若振动加速度相对较小,通过固有频率修正法对夹片弹簧刚度进行线性简化,其幅频响应特性与非线性模型的特性相近。该研究成果为压电振动能量收集器的动力学和机电耦合模型简化提供了理论支撑。     

磁场中旋转运动圆板的分叉与混沌研究

应用数值模拟方法研究磁场中旋转运动圆板的分叉与混沌问题。首先,基于薄板理论和麦克斯韦电磁场方程组,给出了动能、应变势能、外力虚功以及电磁力的表达式,再利用哈密顿原理,得到磁场中旋转运动圆板横向振动的非轴对称非线性磁弹性振动微分方程组。其次,采用贝塞尔函数作为圆板的振型函数进行伽辽金积分,得到了轴对称情况下横向振动的常微分方程组表达式。最后,针对主共振,取周边夹支边界条件的圆板作为算例,得到了当振型函数取一阶时,将磁感应强度、外激励振幅和激励频率作为控制参数的分叉图及庞加莱映射图等计算结果,并讨论了分叉参数对系统的分叉与混沌的影响。数值计算结果表明,这些控制参数的变化影响系统稳定性,在分叉参数逐渐变化的过程中,系统经历从混沌到多倍周期运动再到混沌的往复过程。     

高性能对称解耦结构的线振动陀螺

为了最大限度克服微机电陀螺的两个模态的相互耦合作用,提高微机电陀螺的综合性能指标,采用国内现有MEMS标准工艺方法,设计和制作了一种高性能单晶硅对称解耦结构的线振动陀螺。采用对称结构形式和保证陀螺驱动和检测模态振型都是弯曲振动模式,易于模态匹配;由于采用驱动模态和检测模态结构解耦方式,从微结构设计上大大降低了正交耦合误差影响,使陀螺具有输出零位小、零偏稳定性好的优点。测试结果表明：初次加工的样机,在大气中驱动和检测模态固有频率分别在2430Hz和2580Hz左右,在150Hz带宽内具有0.1～0.5（°）/s的分辨率;随着加工精度的提高和检测电路的改进,该陀螺在大气中15Hz带宽内实现0.008（°）/s的分辨率,在真空状态下,这种高性能单晶硅对称解耦结构的线振动陀螺性能会有进一步的提高。     

单跨架空索道货物脱钩跳跃弦振动响应分析

以单跨全悬增力式架空林业集材索道为例,研究在货物脱钩等突发情况下,承载索因积蓄的弹性能瞬间释放而产生自由振动. 基于弦振动理论,建立了在指定位置脱钩的悬索振动方程,分析了脱钩工况下悬索振动固有频率、周期、波长等特征参数及主振动、自由振动、总能量等响应变化规律,并以三维图形进行直观表征与分析. 说明了脱钩振动分析对林业架空索道的安装设计、技术改进与使用安全规程的指导意义.     

VIBRATION AND STABILITY OF RING-STIFFENED THIN-WALLED CYLINDRICAL SHELLS CONVEYING FLUID

Based on the Flügge shell theory,equations of motion of ring-stiffened thin-walled cylindrical shells conveying fluid are developed with the aid of the Hamilton's principle.Analysis is carried out on t...     

In-plane free vibration of a single-crystal silicon ring

In this paper the natural frequencies and the associated mode shapes of in-plane free vibration of a single-crystal silicon ring are analyzed. It is found that the Si(1 1 1) ring is two-dimensionally isotropic in the (1 1 1) plane for elastic constants but three-dimensionally anisotropic, while the Si(1 0 0) ring is fully anisotropic. Hamilton’s principle is used to derive the equations of vibration, which is a set of partial differential equations with coefficients being periodic in polar variable. Expressing the radial and tangential displacements in sinusoidal form with non-predetermined amplitudes, and through the integration with respect to the circumferential variable, the original governing equations in partial differential form can be converted into the amplitude equations in ordinary differential form. The exact expressions for frequencies and mode shapes are obtained. It is found that for Si(1 0 0) rings the frequencies of a pair of modes, which are equal for an isotropic ring, split due to the anisotropic effect only for the second in-plane vibration mode. The phenomena of frequency splitting and degenerate modes can be proved either based on the conservation of averaged mechanical energy or by the concept of crystallographic symmetry groups. When the single-crystal silicon is replaced by the polycrystalline silicon, which is isotropic in elastic constants, the derived equations for frequencies correctly predict the vanishing of the phenomenon of frequency splitting.