CN106650013B - 微加速度计在高速旋转环境下的可靠性仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种微加速度计在高速旋转环境下的可靠性仿真方法。步骤如下：1、利用仿真软件建立微加速度计的仿真模型；2、初步设定一个离心旋转半径，根据微加速度计应用环境设定起始旋转角速度，仿真得到应力及位移云图，找出应力集中部位；3、从初始角速度开始以角速度变化量为步长逐步增加旋转角速度，直到使微加速度计即将失效的最大旋转角速度；4、以可承受的最大旋转角速度和旋转半径经公式计算得到可承受的最大离心加速度；5、改变旋转半径，重复步骤2到步骤4得到多个可承受最大离心加速度。经过比较分析确定微加速度计可以承受的最大离心加速度从而判断微加速度度计在高速旋转环境下的可靠性以及它的失效模式和失效机理。

Description

微加速度计在高速旋转环境下的可靠性仿真方法

技术领域

本发明涉及MEMS传感器—微加速度计在高速旋转环境下的仿真方法，具体是一种微加速度计在高速旋转环境下的可靠性仿真方法。

背景技术

加速度计作为惯性传感器的一种，被广泛应用于民航、船舶、大地测量、石油钻探、铁路、隧道等许多领域，特别是在武器装备中，加速度计是构成惯性测试设备的重要器件。传统的最常用加速度计是压电式加速度计。近年来，随着微米、纳米技术的迅速发展，在加速计的研制领域也融入了这项技术，出现了微型加速计。自从20世纪80年代初以硅材料为基础的新型加速度计问世以来，硅微加速度计以其优良的机械和电气性能越来越受到人们的重视。随着硅微机械加工技术的不断成熟，实现了硅微加速度计的微型化、集成化和高灵敏度。

微电子机械***(MEMS)在近十几年来取得了飞速的发展，微加速度计是MEMS的一个重要分支，在航空、航天、汽车、国防等领域有着广泛的应用。在这些***中，利用精确的加速度计在钻地过程中对加速度进行实时测量，以作为后续处理判决单元的源信号。因此，加速度计作为敏感元件，是直接影响提高引信***精度的关键因素。随着各类高新技术的应用，现代武器装备的复杂性成倍增加，使用环境越来越严酷，对质量和可靠性的要求也越来越高，给微加速度计的可靠性保障带来越来越大的困难。微加速度计的可靠性问题已成为阻碍它在武器***中广泛应用的重要因素之一。

为了确定微加速度计的耐久性和可靠性，并预测和消除未来的故障，通常在设计和制造周期期间会针对微加速度计特定的使用环境执行各种测试，如对微加速度计施加热学载荷和动态载荷—高速旋转、动态冲击等，以识别可能发生故障的部位。近年来，一种新兴的、被广泛接受的可靠性测试方法—高加速寿命试验（HALT）技术发展迅速。20世纪80年代末起源于美国，目前广泛地应用于商业、工业以及国防的设计制造领域。该测试方法对暴露产品的潜在缺陷，改进产品的强度和可靠性非常有效。 HALT 试验过程就是以步进方式对产品施加一系列单应力（如多轴随机振动，温度循环，电应力等）和组合应力，并逐步增加强度直至产品失效的过程。在 HALT 过程中对发生的每一个失效都进行根本原因分析,不断进行试验、分析、验证和改进。

随着***复杂程度越来越高，利用传统的可靠性分析方法往往需要耗费大量的时间和成本，因此在工程中越来越多借助仿真手段，然而目前尚未提供微加速度计对HALT测试的仿真。

发明内容

本发明为解决目前缺乏一种对微加速度计进行HALT测试的仿真方法的的技术问题，提供一种微加速度计在高速旋转环境下的可靠性仿真方法。

本发明是采用以下技术方案实现的：一种微加速度计在高速旋转环境下的可靠性仿真方法，其特征在于：

①利用仿真软件ANSYS建立微加速度计的仿真模型，通过模型确认微加速度计的材料特性及参数，设计微加速度计的高速旋转方案即微加速度计在旋转台上的放置方式，准备进行微加速度计在高速旋转环境应力下的仿真；

②微加速度计在高速旋转环境应力下的仿真步骤：

（1）根据所要仿真的微加速度计的使用环境，选定仿真的起始转速ω，以及角速度变化量Δω，100 r/min ≤Δω≤500 r/min，并且起始转速小于微加速度计在使用环境下转速范围的上限值；

（2）根据步骤①中所建模型，首次设定旋转中心与微加速度计内部的质量块的距离r₁，利用仿真软件的ANSYS静力学分析模块对微加速度计施加初始角速度载荷并对微加速度计进行求解分析，得到应力云图及位移云图，找到在旋转环境下的微加速度计的应力集中点及最大位移处；

（3）利用仿真软件的ANSYS动力学分析模块找出微加速度计可承受的最大角速度ω₁：施加载荷由起始转速开始，以角速度变化量Δω_max=500 r/min为步长增加角速度，每增加一个子步，求解查看仿真结果中的最大应力及最大位移，增加至超过旋转台测试范围上限值后再增加两个子步，加载后进行求解，查看仿真结果；

根据仿真结果中每个子步的应力分布云图，得出微加速度计的应力最大值分布点和应力集中区域；根据微加速度计的材料特性，查阅文献可知其最大许用应力为[τ]，分析微加速度计的最后一个子步结果，假设此时微加速度计所受最大应力值为τ_max，若τ_max<[τ]，表明理论上微加速度计功能正常，则继续对微加速度计增加角速度，再次进行可靠性仿真结果分析，直到τ_max>[τ]；

若τ_max>[τ]，表明理论上微加速度计功能异常，则查看前一个子步的分析结果，若τ_max>[τ]，继续查看前一个子步的分析结果，直至确定出微加速度计功能出现异常的最小角速度；根据该最小角速度值以每10r/min为一个子步，逐渐减小角速度，查看子步仿真结果，比较τ_max、[τ]的大小，最后确定微加速度计的破坏极限旋转角速度ω₁；

根据已知公式，由确定的旋转半径r₁和破坏极限旋转角速度ω₁求得微加速度计在半径r₁的破坏极限离心加速度a₁；所述公式如下：

；

上述公式中，a—向心加速度；ω—角速度；r—转动半径；v—切向速度；n—每分钟的转数；

（4）至少改变一次离心半径的值，重复步骤（2）到步骤（3），针对每一个新的离心半径的值r_i都得到一个新的破坏极限离心加速度a_i；将a_i与a₁进行比较应该相互吻合，则可由此确定微加速度计在高速旋转环境下的破坏极限离心加速度；

③总结仿真得到的参数进行综合分析。

通过上述高速旋转环境下的仿真，初步得到微加速度计在高速旋转环境下所能承受的最大离心加速度a，这时候可以重新选取一个旋转半径直接施加最大离心加速度a进行验证。由此可以对具体问题进行分析，针对实际应用的情况下的微加速度计的失效找出结构的薄弱环节，为改进微加速度计结构提供理论指导，得出试验所需的环境参数以及提高***可靠性的措施，为后续可靠性试验提供依据。

通过仿真实验验证，确定在相同的离心加速度a的作用下，不同的旋转半径产生的应力效果和应力值大小是相同的，所以在实际使用过程中只要旋转产生的离心加速度不大于微加速度计可承受的最大离心加速度，微加速度计的结构在理论上就是不会受到破坏的。由此我们得到一种微加速度计在高速旋转环境下的可靠性仿真方法，利用Ansys软件仿真求得微加速度计可承受的最大离心加速度a并且验证得到微加速度计在高速旋转环境下的最大受力集中点和结构薄弱环节。

进一步的，在通常情况下，有三种不同的高速旋转方案：

（1）微加速度计平放在旋转台上，主要加速度敏感方向与旋转台垂直；

（2）微加速度计竖放在旋转台上，主要加速度敏感方向与旋转轴心垂直但不指向旋转轴心；

（3）微加速度计竖放在旋转台上，主要加速度敏感方向与旋转轴心垂直且指向旋转轴心。

针对微加速度计的仿真方法，有三种不同的高速旋转方案，进行每一种方案的具体分析步骤都类似，均采用前述仿真方法。

在一定环境条件下，通过采用有限元仿真方法，全面了解微器件各部分受力状况，并可找出器件承受应力、弯矩最大值点，器件变形最大值点。通过分析这些最大值点与微器件故障部位实际情况，找出器件故障的机理。通过仿真技术与实际微器件故障现象的分析对比，研究基于仿真技术的环境试验方法，得出试验所需的环境参数以及提高***可靠性的措施，为后续可靠性试验提供依据。与实际的实验相比，微加速度计可靠性仿真省去了昂贵的测试设备、人员以及用于测试本身的大量时间，大大降低研制成本。

本发明的有益效果：本发明是一种针对微加速度计的可靠性仿真方法，能够提前发现微加速度计在高速旋转环境下的受力薄弱环节，对微加速度计在高速旋转环境下的应力参数进行仿真模拟，得出试验所需的微加速度计的极限旋转范围参数以及提高***可靠性的措施，为后续可靠性试验提供依据。

具体实施方式

本发明能够了解微加速度计在不同形态的高速旋转环境应力下的受力情况，通过仿真软件找出微加速度计可以承受的最大的离心加速度。

一种微加速度计在高速旋转环境下的可靠性仿真方法，具体步骤如下：

①利用仿真软件ANSYS建立微加速度计的仿真模型，通过模型确认微加速度计的材料特性及参数，分析微加速度计的三种不同的高速旋转方案，每一种方案的具体分析步骤都类似；

通常情况下，有三种不同的高速旋转方案：

（1）微加速度计平放在旋转台上，主要加速度敏感方向与旋转台垂直；

（2）微加速度计竖放在旋转台上，主要加速度敏感方向与旋转轴心垂直但不指向旋转轴心；

（3）微加速度计竖放在旋转台上，主要加速度敏感方向与旋转轴心垂直且指向旋转轴心；

②微加速度计在高速旋转环境应力下的仿真步骤：

（1）根据所要仿真的微加速度计的使用环境，选定仿真的起始转速ω，以及角速度变化量Δω，100 r/min ≤Δω≤500 r/min，并且起始转速小于微加速度计在使用环境下转速范围的上限值；

（2）根据步骤①中所建模型，首次设定旋转中心与微加速度计内部的质量块的距离r₁，利用仿真软件的ANSYS静力学分析模块对其施加初始角速度载荷对微加速度计进行求解分析，得到应力云图及位移云图，找到在旋转环境下的微加速度计的应力集中点及最大位移处；

（3）利用仿真软件的ANSYS动力学分析模块找出微加速度计可承受的最大角速度ω₁：施加载荷由起始转速开始，以角速度变化量Δω_max=500 r/min为步长增加角速度，每增加一个子步，求解查看仿真结果中的最大应力及最大位移，增加至超过旋转台测试范围上限值后再增加两个子步，加载后进行求解，查看仿真结果；

根据仿真结果中每个子步的应力分布云图，得出微加速度计的应力最大值分布点和应力集中区域；根据微加速度计的材料特性，查阅文献可知其最大许用应力为[τ]，分析微加速度计的最后一个子步结果，假设此时微加速度计所受最大应力值为τ_max，若τ_max<[τ]，表明理论上微加速度计功能正常，则继续对微加速度计增加角速度，再次进行可靠性仿真结果分析，直到τ_max>[τ]；

若τ_max>[τ]，表明理论上微加速度计功能异常，则查看前一个子步的分析结果，若τ_max>[τ]，继续查看前一个子步的分析结果，直至确定出微加速度计功能出现异常的最小角速度；根据该最小角速度值以每10r/min为一个子步，逐渐减小角速度，查看子步仿真结果，比较τ_max、[τ]的大小，最后确定微加速度计的破坏极限旋转角速度ω₁；

根据已知公式，由确定的旋转半径r₁和破坏极限旋转角速度ω₁求得微加速度计在半径r₁的破坏极限离心加速度a₁；所述公式如下：

；

上述公式中，a—向心加速度；ω—角速度；r—转动半径；v—切向速度；n—每分钟的转数；

（4）改变一个离心半径r₂，重复步骤（2）到步骤（3），得到一个新的破坏极限离心加速度a₂，将a₂与a₁进行比较应该相互吻合，则可由此确定微加速度计在高速旋转环境下的破坏极限离心加速度；

③总结仿真得到的参数进行综合分析；

通过之前的高速旋转环境下的仿真，初步得到微加速度计在高速旋转环境下所能承受的最大离心加速度a，这时候可以重新选取一个旋转半径直接施加最大离心加速度a进行验证。由此可以对具体问题进行分析，针对实际应用的情况下的微加速度计的失效找出结构的薄弱环节，为改进微加速度计结构提供理论指导，得出试验所需的环境参数以及提高***可靠性的措施，为后续可靠性试验提供依据。

Claims (1)

1.一种微加速度计在高速旋转环境下的可靠性仿真方法，其特征在于：

①利用仿真软件ANSYS建立微加速度计的仿真模型，通过模型确认微加速度计的材料特性及参数，设计微加速度计的高速旋转方案即微加速度计在旋转台上的放置方式，准备进行微加速度计在高速旋转环境应力下的仿真；步骤①中高速旋转方案如下三种：

微加速度计平放在旋转台上，主要加速度敏感方向与旋转台垂直；

微加速度计竖放在旋转台上，主要加速度敏感方向与旋转轴心垂直但不指向旋转轴心；

微加速度计竖放在旋转台上，主要加速度敏感方向与旋转轴心垂直且指向旋转轴心；

②微加速度计在高速旋转环境应力下的仿真步骤：

（1）根据所要仿真的微加速度计的使用环境，选定仿真的起始转速ω，以及角速度变化量Δω，100 r/min ≤ Δω≤500 r/min，并且起始转速小于微加速度计在使用环境下转速范围的上限值；

（2）根据步骤①中所建模型，首次设定旋转中心与微加速度计内部的质量块的距离r₁，利用仿真软件的ANSYS静力学分析模块对微加速度计施加初始角速度载荷并对微加速度计进行求解分析，得到应力云图及位移云图，找到在旋转环境下的微加速度计的应力集中点及最大位移处；

（3）利用仿真软件的ANSYS动力学分析模块找出微加速度计可承受的最大角速度ω₁：施加载荷由起始转速开始，以角速度变化量Δω_max=500 r/min为步长增加角速度，每增加一个子步，求解查看仿真结果中的最大应力及最大位移，增加至超过旋转台测试范围上限值后再增加两个子步，加载后进行求解，查看仿真结果；

根据仿真结果中每个子步的应力分布云图，得出微加速度计的应力最大值分布点和应力集中区域；根据微加速度计的材料特性，查阅文献可知其最大许用应力为[τ]，分析微加速度计的最后一个子步结果，假设此时微加速度计所受最大应力值为τ_max，若τ_max<[τ]，表明理论上微加速度计功能正常，则继续对微加速度计增加角速度，再次进行可靠性仿真结果分析，直到τ_max>[τ]；

若τ_max>[τ]，表明理论上微加速度计功能异常，则查看前一个子步的分析结果，若τ_max>[τ]，继续查看前一个子步的分析结果，直至确定出微加速度计功能出现异常的最小角速度；根据该最小角速度值以每10r/min为一个子步，逐渐减小角速度，查看子步仿真结果，比较τ_max、[τ]的大小，最后确定微加速度计的破坏极限旋转角速度ω₁；

根据已知公式，由确定的旋转半径r₁和破坏极限旋转角速度ω₁求得微加速度计在半径r₁的破坏极限离心加速度a₁；所述公式如下：

；

上述公式中，a—向心加速度；ω—角速度；r—转动半径；v—切向速度；n—每分钟的转数；

（4）至少改变一次离心半径的值，重复步骤（2）到步骤（3），针对每一个新的离心半径的值r_i都得到一个新的破坏极限离心加速度a_i；将a_i与a₁进行比较应该相互吻合，则可由此确定微加速度计在高速旋转环境下的破坏极限离心加速度；

③总结仿真得到的参数进行综合分析。