动力学环境下液浮摆式加速度计建模与仿真

　　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