專利名稱：一種石英撓性加速度計(jì)焊接殘余應(yīng)力仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種石英撓性加速度計(jì)焊接殘余應(yīng)力仿真方法，特別是涉及一種基于有限元軟件ANSYS直接熱應(yīng)力耦合仿真的石英撓性加速度計(jì)焊接殘余應(yīng)力仿真方法，屬于有限元仿真技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
加速度計(jì)是把運(yùn)載體的加速度通過(guò)各種測(cè)量手段轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的傳感器裝置。自從第二次世界大戰(zhàn)末期出現(xiàn)第一個(gè)加速度計(jì)至今，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，加速度計(jì)也在不斷的發(fā)展和改進(jìn)，曾先后出現(xiàn)過(guò)近百種不同類型的加速度計(jì)。其中石英撓性加速度計(jì)以體積小、響應(yīng)快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在精確制導(dǎo)、航空航天等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。但是，石英撓性加速度計(jì)在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生參數(shù)漂移的現(xiàn)象，這對(duì)導(dǎo)航精度造成了很大的影響。目前，針對(duì)石英撓性加速度計(jì)的研究，多集中于漂移誤差建模及補(bǔ)償技術(shù)研究方面，這些方法未進(jìn)行參數(shù)漂移的機(jī)理分析，因而無(wú)法為加速度計(jì)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。研究表明，加速度計(jì)在使用過(guò)程中產(chǎn)生參數(shù)漂移的一個(gè)重要機(jī)理是存在焊接殘余應(yīng)力。這是因?yàn)榧铀俣扔?jì)的磁鋼與預(yù)負(fù)載環(huán)是通過(guò)激光焊接裝配的，而在焊接過(guò)程中，由于高度集中的瞬時(shí)熱輸入和隨后的快速冷卻，必會(huì)在焊接工件上產(chǎn)生相當(dāng)大的焊接殘余應(yīng)力。研究焊接殘余應(yīng)力的方法有實(shí)驗(yàn)測(cè)試和有限元仿真方法，然而對(duì)于焊接殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)測(cè)試具有很大的局限性采用無(wú)損方法，只能測(cè)到焊接結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)力狀態(tài)；即使采用破壞性方法，三維殘余應(yīng)力場(chǎng)也是難以精確核計(jì)的。近年來(lái)由于電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和計(jì)算方法的新進(jìn)展， 有限元仿真方法作為一個(gè)強(qiáng)有力的數(shù)值仿真工具，已被廣泛用于工程領(lǐng)域。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有基于有限元仿真的技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，石英撓性加速度計(jì)的有限元仿真多集中于靜態(tài)應(yīng)力和模態(tài)計(jì)算，還沒(méi)有關(guān)于石英撓性加速度計(jì)焊接殘余應(yīng)力的仿真。

發(fā)明內(nèi)容
I、目的本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種石英撓性加速度計(jì)焊接殘余應(yīng)力仿真方法，它通過(guò)直接熱應(yīng)力耦合仿真，來(lái)模擬焊接過(guò)程，從而求解得到焊接后結(jié)構(gòu)體的殘余應(yīng)力分布，一方面能夠通過(guò)研究焊接后結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力分布規(guī)律，來(lái)進(jìn)一步研究焊接殘余應(yīng)力對(duì)于加速度計(jì)參數(shù)漂移的影響，以便為加速度計(jì)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)，另一方面通過(guò)對(duì)比不同焊接工藝參數(shù)組合下的殘余應(yīng)力分布來(lái)選擇最佳的焊接工藝。2、技術(shù)方案本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，在選擇有限元單元的基礎(chǔ)上建立加速度計(jì)的非線性材料模型，然后結(jié)合加速度計(jì)的尺寸信息建立加速度計(jì)幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后通過(guò)施加約束及載荷來(lái)實(shí)現(xiàn)直接熱應(yīng)力耦合仿真。本發(fā)明一種石英撓性加速度計(jì)焊接殘余應(yīng)力仿真方法，其具體步驟如下步驟一結(jié)合焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理來(lái)選擇有限元單元；激光焊接過(guò)程中，熱流密度很高的激光束作用于面積很小的焊接部位，使材料局部熔化、汽化，造成被焊部位受熱不均且局部產(chǎn)生塑性變形，冷卻過(guò)程中的溫度變化產(chǎn)生殘余應(yīng)力，因此選擇熱結(jié)構(gòu)耦合單元，且需要同時(shí)滿足以下條件(I)三維六面體耦合單元；(2)具有溫度自由度；(3)具有結(jié)構(gòu)自由度；(4)能夠進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真；(5)能夠產(chǎn)生塑性變形。步驟二 建立材料模型庫(kù)，主要包括a.定義單位制由于ANSYS中數(shù)值沒(méi)有單位，因此需要將各種材料屬性的單位按照定義好的單位制統(tǒng)一；該定義單位制是指在國(guó)際單位制的基礎(chǔ)上自定義單位制毫米 (_)、克(g)、秒(S)、微安(μΑ)以及開(kāi)爾文(K)，之后所有部件尺寸、材料屬性以及載荷數(shù)值均通過(guò)此單位制換算得到；b.輸入各部件的材料屬性結(jié)合仿真類型輸入仿真需要用到的各部件材料屬性， 仿真過(guò)程中的主要材料為石英、低膨脹合金、不銹鋼合金；材料參數(shù)包括熱仿真中需要的導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)，結(jié)構(gòu)仿真中需要的密度、彈性模量、泊松比；另外，為了描述材料的塑性屬性，選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，需要輸入最多五個(gè)溫度點(diǎn)的材料的屈服極限和屈服后的彈性模量；步驟三建立加速度計(jì)結(jié)構(gòu)模型，首先對(duì)加速度計(jì)的各結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化， 只建立被焊接的軟磁體、預(yù)負(fù)載環(huán)，忽略其他的部件；其次，根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，只建立軟磁體、預(yù)負(fù)載環(huán)的二分之一模型，為了方便將整體劃分為質(zhì)量較高的六面體單元，將軟磁體切分成幾部分，分別進(jìn)行建模；步驟四建立加速度計(jì)有限元模型，主要包括給各幾何部件賦予材料屬性以及利用掃略的方式生成網(wǎng)格，形成有限元模型。為了生成均勻的六面體單元，將構(gòu)成結(jié)構(gòu)的主要特征線劃分成長(zhǎng)度大致相同的等份，例如，對(duì)于圓柱體，特征線為上下圓面的外環(huán)線以及徑向線。步驟五施加約束及載荷，主要包括對(duì)稱約束、零位移約束、熱邊界條件、預(yù)緊力、熱流密度載荷。在結(jié)構(gòu)對(duì)稱面上施加法向?qū)ΨQ約束；在焊接過(guò)程中，加速度計(jì)的固支部位施加各向零位移約束和預(yù)緊力。在所有與空氣相接觸的面上施加對(duì)流換熱系數(shù)邊界條件；在焊接部位施加熱流密度載荷。步驟六進(jìn)行直接熱應(yīng)力耦合仿真，選擇仿真類型為瞬態(tài)仿真，保存數(shù)據(jù)文件并進(jìn)行仿真計(jì)算。步驟七自然冷卻，保留殘余應(yīng)力，保持模型不變，刪除熱流密度載荷，仿真自然冷卻的過(guò)程，仍然進(jìn)行直接熱應(yīng)力耦合瞬態(tài)仿真，求得在冷卻過(guò)程中的溫度變化和應(yīng)力變化。其中，步驟五中所述的“在焊接部位施加熱流密度載荷”的具體實(shí)現(xiàn)的步驟如下I)定義熱源中心的X、y、z坐標(biāo)分別為a、b、c ;定義焊接電壓為Q，有效熱半徑為 r,則熱流密度為 qmax = 3*Q/ ( n *r**2)；2)通過(guò)*get命令讀取預(yù)負(fù)載環(huán)外圓周面上單元編號(hào)的最小值nemin和最大值 nemax ；3)循環(huán)變量為i，i值從nemin開(kāi)始增大，步長(zhǎng)為1，讀取每個(gè)單元的中心坐標(biāo)分別為xsy、ysy、zsy,則該單元中心點(diǎn)距離熱源中心的距離為rr = sqrt ((xsy-a) **2+ (ysy-b) **2+(zsy_c)林2)；4)如果rr ( r,則對(duì)該單元施加熱流密度；如果rr > r,則對(duì)該單元不施加熱流密度；
5)當(dāng)i值增大至nemax,則結(jié)束循環(huán)。3、優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I)采用有限元參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)。從單元設(shè)置、材料屬性輸入、幾何模型建立、網(wǎng)格劃分、約束及載荷的施加以及熱結(jié)構(gòu)耦合仿真均采用APDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。該方法不僅可以避免由繁瑣的圖形用戶界面(GUI)操作產(chǎn)生的人為差錯(cuò)，還可以根據(jù)需要方便的修改結(jié)構(gòu)、載荷等參數(shù)，以及在施加熱流密度載荷時(shí)寫(xiě)入循環(huán)代碼，可以極大的減少工作量。2)能夠通過(guò)仿真的結(jié)果研究不同的焊接工藝對(duì)于殘余應(yīng)力分布的影響規(guī)律，為選擇最佳的焊接工藝參數(shù)組合提供依據(jù)。3)在建立幾何模型時(shí)，充分利用了模型的對(duì)稱性，只建立了軟磁體和預(yù)負(fù)載環(huán)的二分之一模型，并加上適當(dāng)?shù)膶?duì)稱約束，這樣既減少了建模的工作量，又節(jié)省了計(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間。


圖I是本發(fā)明方法流程框圖。圖2是加速度計(jì)結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例的加速度計(jì)簡(jiǎn)化模型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例的加速度計(jì)簡(jiǎn)化模型的有限元模型示意圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例的加速度計(jì)簡(jiǎn)化模型中焊接中心點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的曲線示意圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例的加速度計(jì)簡(jiǎn)化模型中焊接中心點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線示意圖。圖中符號(hào)說(shuō)明如下I軟磁體；2力矩器線圈；3撓性平橋；4支撐環(huán)；5擺片；6軟磁體；7磁鋼。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例是按照如圖I所示的流程進(jìn)行實(shí)施的，主要包括設(shè)置單元類型、輸入材料屬性、建立幾何模型、劃分網(wǎng)格、施加約束及載荷以及瞬態(tài)直接熱應(yīng)力耦合仿真。加速度計(jì)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，它主要由軟磁體(I)、軟磁體(6)與擺組件組成，而擺組件由力矩器線圈(2)、撓性平橋(3)、支撐環(huán)(4)與擺片(5)構(gòu)成，其中磁鋼(7)在軟磁體內(nèi)部，與力矩器線圈(2)構(gòu)成力矩器組件。見(jiàn)圖1，本發(fā)明一種石英撓性加速度計(jì)焊接過(guò)程仿真方法，該方法具體步驟如下步驟一選擇有限元單元，根據(jù)焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理選擇熱結(jié)構(gòu)耦合單元，且需要同時(shí)滿足以下條件(I)三維六面體耦合單元；；(2)具有溫度自由度(3)具有結(jié)構(gòu)自由度；(4)能夠進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真；(5)能夠產(chǎn)生塑性變形。通過(guò)對(duì)ANSYS有限元單元庫(kù)中的單元進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)S0LID5單元具有以下特性三維六面體單元，能夠進(jìn)行直接熱應(yīng)力耦合仿真，能夠進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真，支持塑性變形。因此將選用S0LID5單元進(jìn)行加速度計(jì)焊接部位的有限元建模與仿真。步驟二 建立材料模型庫(kù)，主要包括
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a.定義單位制由于加速度計(jì)有限元仿真精度要求較高，所以在國(guó)際單位制的基礎(chǔ)上自定義單位制毫米(_)、克(g)、秒(S)、微安(μΑ)以及開(kāi)爾文(K),之后所有部件尺寸、材料屬性以及載荷數(shù)值均通過(guò)此單位制換算得到。b.輸入各部件的材料屬性結(jié)合仿真類型輸入仿真需要用到的各部件材料屬性， 仿真過(guò)程中的主要材料為低膨脹合金；材料參數(shù)包括熱仿真中需要的導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)，結(jié)構(gòu)仿真中需要的密度、彈性模量、泊松比，如下列表I所示；另外，為了描述材料的塑性屬性，選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，需要輸入最多五個(gè)溫度點(diǎn)的材料的屈服極限和屈服后的彈性模量，如下列表2所示。表I低膨脹合金的材料屬性
權(quán)利要求
1.一種石英撓性加速度計(jì)焊接殘余應(yīng)力仿真方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一結(jié)合焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理來(lái)選擇有限元單元；激光焊接過(guò)程中，熱流密度很高的激光束作用于面積很小的焊接部位，使材料局部熔化、汽化，造成被焊部位受熱不均且局部產(chǎn)生塑性變形，冷卻過(guò)程中的溫度變化產(chǎn)生殘余應(yīng)力，因此選擇熱結(jié)構(gòu)耦合單元，且需要同時(shí)滿足以下條件(I)三維六面體耦合單元；(2)具有溫度自由度；(3)具有結(jié)構(gòu)自由度；(4)能夠進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真；(5)能夠產(chǎn)生塑性變形；步驟二 建立材料模型庫(kù)；包括a.定義單位制由于ANSYS中數(shù)值沒(méi)有單位，因此需要將各種材料屬性的單位按照定義好的單位制統(tǒng)一；該定義單位制是指在國(guó)際單位制的基礎(chǔ)上自定義單位制毫米mm、克 g、秒S、微安PA以及開(kāi)爾文K，之后所有部件尺寸、材料屬性以及載荷數(shù)值均通過(guò)此單位制換算得到；b.輸入各部件的材料屬性結(jié)合仿真類型輸入仿真需要用到的各部件材料屬性，仿真過(guò)程中的材料為石英、低膨脹合金、不銹鋼合金；材料參數(shù)包括熱仿真中需要的導(dǎo)熱率和熱膨脹系數(shù)，結(jié)構(gòu)仿真中需要的密度、彈性模量、泊松比；另外，為了描述材料的塑性屬性， 選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，需要輸入最多五個(gè)溫度點(diǎn)的材料的屈服極限和屈服后的彈性模步驟三建立加速度計(jì)結(jié)構(gòu)模型；首先對(duì)加速度計(jì)的各結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，只建立被焊接的軟磁體、預(yù)負(fù)載環(huán)，忽略其他的部件；其次，根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，只建立軟磁體、預(yù)負(fù)載環(huán)的二分之一模型，為了方便將整體劃分為質(zhì)量較高的六面體單元，將軟磁體切分成幾部分，分別進(jìn)行建模；步驟四建立加速度計(jì)有限元模型；包括給各幾何部件賦予材料屬性以及利用掃略的方式生成網(wǎng)格，形成有限元模型；為了生成均勻的六面體單元，將構(gòu)成結(jié)構(gòu)的主要特征線劃分成長(zhǎng)度相同的等份，例如，對(duì)于圓柱體，特征線為上下圓面的外環(huán)線以及徑向線；步驟五施加約束及載荷；包括對(duì)稱約束、零位移約束、熱邊界條件、預(yù)緊力、熱流密度載荷；在結(jié)構(gòu)對(duì)稱面上施加法向?qū)ΨQ約束；在焊接過(guò)程中，加速度計(jì)的固支部位施加各向零位移約束和預(yù)緊力；在所有與空氣相接觸的面上施加對(duì)流換熱系數(shù)邊界條件；在焊接部位施加熱流密度載荷；步驟六進(jìn)行直接熱應(yīng)力耦合仿真；選擇仿真類型為瞬態(tài)仿真，保存數(shù)據(jù)文件并進(jìn)行仿真計(jì)算；步驟七自然冷卻，保留殘余應(yīng)力，保持模型不變，刪除熱流密度載荷，仿真自然冷卻的過(guò)程，仍然進(jìn)行直接熱應(yīng)力耦合瞬態(tài)仿真，求得在冷卻過(guò)程中的溫度變化和應(yīng)力變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種石英撓性加速度計(jì)焊接殘余應(yīng)力仿真方法，其特征在于步驟五中所述的“在焊接部位施加熱流密度載荷”的具體實(shí)現(xiàn)的過(guò)程如下1)定義熱源中心的X、Y、z坐標(biāo)分別為a、b、c;定義焊接電壓為Q，有效熱半徑為r,則熱流密度為 qmax = 3*Q/0 *r**2)；2)通過(guò)*get命令讀取預(yù)負(fù)載環(huán)外圓周面上單元編號(hào)的最小值nemin和最大值nemax；3)循環(huán)變量為i，i值從nemin開(kāi)始增大，步長(zhǎng)為1，讀取每個(gè)單元的中心坐標(biāo)分別為 xsy、ysy、zsy,則該單元中心點(diǎn)距離熱源中心的距離為rr = sqrt ((xsy_a) **2+(ysy_b) **2+ (zsy_c)**2)；4)如果rr≤r,則對(duì)該單元施加熱流密度；如果rr > r,則對(duì)該單元不施加熱流密度；5)當(dāng)i值增大至nemax,則結(jié)束循環(huán)。
全文摘要
一種石英撓性加速度計(jì)焊接殘余應(yīng)力仿真方法，它有七大步驟步驟一結(jié)合焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理來(lái)選擇有限元單元；步驟二建立材料模型庫(kù)；步驟三建立加速度計(jì)結(jié)構(gòu)模型；步驟四建立加速度計(jì)有限元模型；步驟五施加約束及載荷；步驟六進(jìn)行直接熱應(yīng)力耦合仿真；步驟七自然冷卻，保留殘余應(yīng)力，保持模型不變，刪除熱流密度載荷，仿真自然冷卻的過(guò)程，仍然進(jìn)行直接熱應(yīng)力耦合瞬態(tài)仿真，求得在冷卻過(guò)程中的溫度變化和應(yīng)力變化。本發(fā)明建立了基于石英撓性加速度計(jì)有限元模型的瞬態(tài)直接熱應(yīng)力耦合仿真方法。利用該方法，可以得到焊接點(diǎn)的殘余應(yīng)力分布，此仿真結(jié)果可以作為振動(dòng)消除殘余應(yīng)力仿真過(guò)程的輸入，為進(jìn)一步研究振動(dòng)時(shí)效奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102592019SQ201210003049
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者侯澤兵, 劉丙棟, 康銳, 陳穎 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)