新型光纤陀螺支架抗振性有限元分析与优化设计.pdf

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1、2010年第29卷第6期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)105新型光纤陀螺支架抗振性有限元分析与优化设计王罡，孙枫，陈广(哈尔滨工程大学自动化学院。黑龙江哈尔滨150001)摘要：光纤陀螺作为船用导航设备应用时，环境振动对陀螺精度的影响不容忽视。探讨了光纤陀螺机械结构的振动特性，通过Ansys有限元软件对支架进行了动力学分析，在振动模态分析中得到了支架的固有频率与振型，正弦频响分析中得到了支架的频响曲线。对光纤陀螺支架的共振频率与振型进行了分析，提出了支架结构优化设计的方法并设计出一种新支架。关键词：光纤陀螺；振动；动力分析

2、；优化设计；有限元分析中图分类号：TB535文献标识码：A文章编号：1000-9787(2010)06-0105-03FEAandoptimizationdesignofanewtypebracketofFOGWANGGang，SUNFeng，CHENGuang(SchoolofAutomation，HarbinEngineeringUniversity，Harbin150001，China)Abstract：Whilefiber-opticgyroscopes(FOG)areusedforshipnavigation，theinfluenceofcircumstancevibra

3、tiononDrecisionofFOGcannotbeignored．ThecharacteristicsofvibrationofstructureofFOGareresearched．BaseonthedynamicanalysisusingANSYS，afiniteelementanalysissoftware，thefrequenciesandvibrationmodelofbracketofFOGareachievedandanalyzed．Intheprocessofthefrequencyresponseanalysis，thecurvesoffrequencyre

4、sponseareachieved．Onthebasisofthis，amethodtooptimizethe~ameworkdesignofFOG，andanewtypeofbracketisdesigned．Keywords：FOG；vibration；dynamicanalysis；optimizationdesign；finiteelementanalysis(FEA)0引言1模态分析和频晌分析简介光纤陀螺仪是一种基于Sagnac效应的角速度传感基于Ansys进行结构动力分析主要包括模态分析、瞬器】。其优点是结构简单、无运动部件和磨损部件、启动态动力学分析和频响分析等。快、

5、使用寿命长、体积小、质量轻、耐冲击、抗干扰、精度高、由弹性力学有限元法可得系统的瞬态动力学求解的基动态范围大、能耗低，成本低。光纤陀螺仪的这些优点使得本运动方程它得以应用于一些新的领域，如，导航、天线、相机的稳MX+CX+KX=F(t)，定系统、起重机控制和无人交通工具控制等。式中，c，M分别为系统质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩与其他形式的陀螺相比，光纤陀螺具有天生的抗振优阵；，分别为系统振动加速度向量、速度向量和位移向势，但在实际使用中，振动对光纤陀螺精度的影响也是不容量，=[X，X，⋯，X]；F(f)为系统所受外界激振力向量，忽视的。受结构、光纤绕环工艺以及封装的限制，当光纤陀F(

6、t)=，⋯，]。若无外力作用，即F(t)=O，则得螺在系统内部的谐振频率上振动时，极大的振幅和应力会到系统的自由振动方程。在求系统自由振动的频率和振使光纤环产生变形，从而影响陀螺的正常工作。通常光纤型，即求系统的固有频率和固有振型时，阻尼对它们影响不环都是绕制在光线环骨架上的，而光线环骨架又是安装于一个有3个垂直面的支架上的。因此，支架的振动特性对大。因此，阻尼项也可以略去，得到无阻尼自由振动的运动整个系统的影响是最大的。方程为本文用通用有限元分析软件Ansys对支架进行了模态MX+C_O．分析和频响分析，提出了支架结构设计的改进方法，以达到其对应的特征值方程为优化设计的目的，并设

7、计出一种新支架，减轻支架振动(K～oJ~M)x=o，对光纤陀螺的影响。式中为第i阶模态的固有频率，i=1，2，⋯，n。收稿日期：2009—10-28l06传感器与微系统第29卷这时的振动系统一般存在着n个固有频率和n个主振选择BlockLanczos方法求解支架的模态。解得支架的前4型，每一对频率和振型代表一个单自由度系统的自由振动，阶固有频率，如表1所示。这种在自由振动时结构所具有的基本振动特性称为结构的表1支架的固有频率模态。模态分析用于确定设计中的结构或机器部件