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半球陀螺谐振子的力学性能及振动特性分析

李子昂  
【摘要】: 半球谐振陀螺是一种具有高精度、高可靠性、抗冲击、不需预热、启动时间短、寿命长等突出优点的新型陀螺。半球谐振子是半球谐振陀螺的核心元件,半球陀螺利用其径向振动驻波进动效应来实现角度和转速测量。目前国内对半球陀螺的研究主要集中在机理分析和信号处理上,对于半球谐振子研究较少,而半球谐振子的设计加工已经成为制约我国半球陀螺发展和应用的技术瓶颈。因此,本文通过研究不同结构参数下半球谐振子力学性能和振动特性的变化,揭示各个结构参数对半球谐振子力学性能和振动特性的影响规律,为半球谐振子的设计加工提供理论基础和参数依据。 本文基于有限元软件ANSYS建立了半球谐振子的三维模型,分析了谐振子各个结构参数对整体力学性能,即内部最大拉伸应力及最大压缩应力的影响规律,提取了它们影响变化的趋势曲线,分析了有残余压应力情况下谐振子的应力分布。在满足力学性能要求的前提下,以重量最轻为优化目标对结构参数进行优化,得到一组结构参数优化结果。 其次进行模态分析,得到谐振子各阶振型和固有频率,做出不同结构参数下谐振子固有频率变化曲线,分析各个结构参数对谐振子振型及固有频率的影响规律,对结构参数优化结果进行修整以使其获得更好的振动特性。通过谐响应分析得到谐振子节点位移幅值随频率变化规律和位移极值。 最后计算了谐振子的疲劳使用系数及应力强度因子。使用MSC-fatigue软件进行了疲劳寿命和裂纹扩展分析,结果表明结构参数对谐振子工作条件下的疲劳寿命没有影响。


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