光纤陀螺捷联惯导系统力学环境分析及试验技术研究
发布时间：2021-12-22 15:26
捷联式架构已成为惯性导航装置普遍采用的结构形式。随着航天飞行器飞行速度不断提升以及再入大气层超高速飞行时经历的强烈的气动噪声,捷联惯导系统面临恶劣的、随机的、宽频的以及多方向性的振动力学环境。严苛的振动力学环境使捷联惯导系统在某频段的振动量级远远超过其内部惯性器件能够保持精度的振动量级,造成捷联惯导系统性能的不稳定或电子元器件损坏,甚至导致导航功能下降或丧失。针对新型光纤陀螺捷联惯导系统的力学环境适应性问题,本文提出在系统研制期间引入以结构动力学分析和力学环境试验为核心的动态优化循环设计方法,该方法在系统几何模型设计完之后,系统样机制造之前,引入结构动力学建模与分析技术求解系统的结构动力学特征和动态响应特性。获得现有设计的强度、刚度、屈曲稳定性等力学参数,具体的显示结构各部分应力、应变、位移、速度、加速度等力学特性分布情况,直观的描述出系统的力学薄弱环节和结构缺陷位置。之后有目的的返回设计阶段修改几何设计方案。通过反复修改、完善和优化,使得在系统样机制造之前已得到理论上的最佳设计方案,最后通过样机制造和力学试验进行系统验证和完善。动态优化循环设计法克服了传统的“几何设计-样机制造-力学...
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：166 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
光纤陀螺捷联惯导系统振动试验
（a）几何结构及坐标系 （b）边界约束弹簧图 3.1 三维环扇形板结构原理图Fig.3.1 Schematic diagram of the 3-D annular sector plates根据小变形假设以及应变–位移关系，厚环扇形板的应变分量可写成：1rrzzuru vr rwzθθεεθε = = + = 11rrzzv u vr r ru wz rv wz rθθγθγγθ = + = + = + 根据胡克定律，厚环扇形板的应力–应变关系可以写成：( )( )( )222, ,rr rr zzrr zzzz rr zzr r rz rz z zθθθθ θθθθθ θ θ θσ ε ε εσ ε ε εσ ε ε ετ γ τ γ τ γ = Θ + Ξ + Θ + Θ = Θ + Θ + Ξ + Θ = Θ + Θ + + Θ + Ξ = Ξ = Ξ = Ξ ,(1 )(1 2 ) 2(1 )E μEμ μ μΘ = Ξ =+ +
因此需要进行系统几何模型的初步化简，去除系统结构中对计算结果影响小的部分，如某些开孔、倒角、凸起、凹槽等几何结构。同时清理自由边、特征线、重复面、多余面相交等特征，清理小圆角、小孔等细小结构。光纤陀螺仪、加速度计以及印刷电路板的力学性能对整个系统精度影响大,作为主要关注对象尽可能保留必要结构。在保证原模型基础特征的情况下，几何化简可明显提高计算质量：一方面从整体上利用结构受力特点简化几何模型，减少自由度；另一方面可以解决不同类型单元连接或由特殊构造引起的总刚方程相关问题。几何模型简化过程中，各特征之间存在复杂的相互连接关系，简单删部分几何结构特征而不考虑相互之间的连接约束关系极易造成部分特征出现错误，恢复步骤复杂。本文方法是:将系统模型的各个部件从总的几何模型中单独分离出来，对分离的部件分别进行化简操作。然后对化简后的各部件进行重新组装，得到化简后系统几何模型。不仅使每个部件都可以得到有效化简，而且部件之间的连接关系更加明显和清晰，大大降低错误出现的可能性。经过初步化简后的几何模型如图 3.4 所示，在进行有限元网格划分时如果有需要还可以再经过几何清理完成进一步结构化简工作。
【参考文献】：
期刊论文
[1]结构参数对弹上电子设备双层减振系统减振性能的影响规律研究[J]. 姚建军,向伟荣,闫红松,甄瑞,余盛强. 导航定位与授时. 2017(01)
[2]捷联惯导系统在声振综合环境下的动力学响应特性研究[J]. 姚建军,余盛强,甄瑞,闫红松,殷增振,刘志军. 导航定位与授时. 2015(02)
[3]光纤陀螺捷联惯导隔冲系统设计[J]. 汤霞清,高军强,武萌,张环. 科技导报. 2013(30)
[4]尾纤长度不对称导致的光纤陀螺振动误差分析[J]. 张勇刚,郜中星,吴磊. 红外与激光工程. 2013(02)
[5]国外光学捷联惯导系统的技术现状和捷联惯导发展趋势[J]. 刘智平,韩宗虎. 航天控制. 2012(05)
[6]基于ISIGHT的曲柄连杆机构多学科优化[J]. 魏璐璐,左正兴,向建华. 机电工程. 2011(12)
[7]基于光纤环安装方式的光纤陀螺振动误差抑制方法[J]. 吴磊,田军,程建华. 中国惯性技术学报. 2011(06)
[8]激光捷联惯导系统动态姿态误差分析与补偿研究[J]. 任春华,李墨,潘英俊,刘进江,任斌. 系统仿真学报. 2011(11)
[9]惯导系统螺栓连接结构的有限元分析与试验验证[J]. 付继波,马静,姚建军. 工程与试验. 2011(03)
[10]新型光纤陀螺支架抗振性有限元分析与优化设计[J]. 王罡,孙枫,陈广. 传感器与微系统. 2010(06)
博士论文
[1]多学科优化方法在汽车底盘设计中的应用研究[D]. 姜武华.合肥工业大学 2014
[2]无人潜器总体方案设计的多学科优化方法研究[D]. 杨卓懿.哈尔滨工程大学 2012
硕士论文
[1]基于虚拟样机技术的铸造起重机动力学仿真研究[D]. 张旭.北京工业大学 2016
[2]捷联惯导系统振动控制技术研究[D]. 袁军锋.中北大学 2014
[3]基于虚拟样机技术的宽V带无级变速器的设计与研究[D]. 莫帅.天津科技大学 2013
[4]光纤陀螺组合标定及误差补偿技术研究[D]. 孙宁博.哈尔滨工程大学 2013
[5]捷联惯导系统支座振动控制与结构优化[D]. 孙辉.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2011
[6]捷联惯导装置结构的动力学模型与实验研究[D]. 徐锐.哈尔滨工程大学 2011
[7]强振动条件下光纤捷联系统结构实验研究[D]. 刘志军.哈尔滨工程大学 2012
[8]光纤陀螺振动特性研究[D]. 孟娟.哈尔滨工程大学 2009
[9]光纤陀螺数据采集处理系统改进及振动特性研究[D]. 陈文海.浙江大学 2004
本文编号：3546629
【文章来源】：哈尔滨工程大学黑龙江省 211工程院校
【文章页数】：166 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
光纤陀螺捷联惯导系统振动试验
（a）几何结构及坐标系 （b）边界约束弹簧图 3.1 三维环扇形板结构原理图Fig.3.1 Schematic diagram of the 3-D annular sector plates根据小变形假设以及应变–位移关系，厚环扇形板的应变分量可写成：1rrzzuru vr rwzθθεεθε = = + = 11rrzzv u vr r ru wz rv wz rθθγθγγθ = + = + = + 根据胡克定律，厚环扇形板的应力–应变关系可以写成：( )( )( )222, ,rr rr zzrr zzzz rr zzr r rz rz z zθθθθ θθθθθ θ θ θσ ε ε εσ ε ε εσ ε ε ετ γ τ γ τ γ = Θ + Ξ + Θ + Θ = Θ + Θ + Ξ + Θ = Θ + Θ + + Θ + Ξ = Ξ = Ξ = Ξ ,(1 )(1 2 ) 2(1 )E μEμ μ μΘ = Ξ =+ +
因此需要进行系统几何模型的初步化简，去除系统结构中对计算结果影响小的部分，如某些开孔、倒角、凸起、凹槽等几何结构。同时清理自由边、特征线、重复面、多余面相交等特征，清理小圆角、小孔等细小结构。光纤陀螺仪、加速度计以及印刷电路板的力学性能对整个系统精度影响大,作为主要关注对象尽可能保留必要结构。在保证原模型基础特征的情况下，几何化简可明显提高计算质量：一方面从整体上利用结构受力特点简化几何模型，减少自由度；另一方面可以解决不同类型单元连接或由特殊构造引起的总刚方程相关问题。几何模型简化过程中，各特征之间存在复杂的相互连接关系，简单删部分几何结构特征而不考虑相互之间的连接约束关系极易造成部分特征出现错误，恢复步骤复杂。本文方法是:将系统模型的各个部件从总的几何模型中单独分离出来，对分离的部件分别进行化简操作。然后对化简后的各部件进行重新组装，得到化简后系统几何模型。不仅使每个部件都可以得到有效化简，而且部件之间的连接关系更加明显和清晰，大大降低错误出现的可能性。经过初步化简后的几何模型如图 3.4 所示，在进行有限元网格划分时如果有需要还可以再经过几何清理完成进一步结构化简工作。
【参考文献】：
期刊论文
[1]结构参数对弹上电子设备双层减振系统减振性能的影响规律研究[J]. 姚建军,向伟荣,闫红松,甄瑞,余盛强. 导航定位与授时. 2017(01)
[2]捷联惯导系统在声振综合环境下的动力学响应特性研究[J]. 姚建军,余盛强,甄瑞,闫红松,殷增振,刘志军. 导航定位与授时. 2015(02)
[3]光纤陀螺捷联惯导隔冲系统设计[J]. 汤霞清,高军强,武萌,张环. 科技导报. 2013(30)
[4]尾纤长度不对称导致的光纤陀螺振动误差分析[J]. 张勇刚,郜中星,吴磊. 红外与激光工程. 2013(02)
[5]国外光学捷联惯导系统的技术现状和捷联惯导发展趋势[J]. 刘智平,韩宗虎. 航天控制. 2012(05)
[6]基于ISIGHT的曲柄连杆机构多学科优化[J]. 魏璐璐,左正兴,向建华. 机电工程. 2011(12)
[7]基于光纤环安装方式的光纤陀螺振动误差抑制方法[J]. 吴磊,田军,程建华. 中国惯性技术学报. 2011(06)
[8]激光捷联惯导系统动态姿态误差分析与补偿研究[J]. 任春华,李墨,潘英俊,刘进江,任斌. 系统仿真学报. 2011(11)
[9]惯导系统螺栓连接结构的有限元分析与试验验证[J]. 付继波,马静,姚建军. 工程与试验. 2011(03)
[10]新型光纤陀螺支架抗振性有限元分析与优化设计[J]. 王罡,孙枫,陈广. 传感器与微系统. 2010(06)
博士论文
[1]多学科优化方法在汽车底盘设计中的应用研究[D]. 姜武华.合肥工业大学 2014
[2]无人潜器总体方案设计的多学科优化方法研究[D]. 杨卓懿.哈尔滨工程大学 2012
硕士论文
[1]基于虚拟样机技术的铸造起重机动力学仿真研究[D]. 张旭.北京工业大学 2016
[2]捷联惯导系统振动控制技术研究[D]. 袁军锋.中北大学 2014
[3]基于虚拟样机技术的宽V带无级变速器的设计与研究[D]. 莫帅.天津科技大学 2013
[4]光纤陀螺组合标定及误差补偿技术研究[D]. 孙宁博.哈尔滨工程大学 2013
[5]捷联惯导系统支座振动控制与结构优化[D]. 孙辉.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2011
[6]捷联惯导装置结构的动力学模型与实验研究[D]. 徐锐.哈尔滨工程大学 2011
[7]强振动条件下光纤捷联系统结构实验研究[D]. 刘志军.哈尔滨工程大学 2012
[8]光纤陀螺振动特性研究[D]. 孟娟.哈尔滨工程大学 2009
[9]光纤陀螺数据采集处理系统改进及振动特性研究[D]. 陈文海.浙江大学 2004
本文编号：3546629
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