石英挠性加速度计摆片组件的应力分析33李安,张云电(杭州电子科技大学机械工程学院,浙江杭州310018)摘要:针对石英挠性加速度计摆片组件的梁易产生断裂的现象,通过分析石英挠性加速度计的工作原理,利用Pro/E分别对石英摆片和铝合金骨架进行了三维建模并装配,然后根据载荷计算在ANSYS中对装配件进行了系统的应力分析,给出了石英摆片组件在实际偏移0.02mm最大位移下的变形场和应力场,并根据应力场分布提出了石英摆片梁结构的优化方案。研究结果表明,石英摆片组件的最大应力随着加速度载荷的增加保持不变,且小于石英材料的许用应力。关键词:摆片组件;应力分析;有限元仿真:TH113;U666.12文献标识码:A:1001-4551(2010)10-0001-04StressanalysisofquartzflexibleaccelerometerπschipcomponentsLIAn,ZHANGYun2dian(CollegeofMechanicalEngineering,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou310018,China)Abstract:Aimingatthefracturephenomenoneasilyhappenedonthebeamofthequartzflexibleaccelerometerπschipcomponents,throughtheanalysisofquartzflexibleaccelerometerworks,thethree2dimensionalmodelingofthequartzchipandthealuminumframewasbuiltandequippedinPro/E,andthestressanalysisofthecomponentwassimulatedinANSYSaccordingtotheloadcalculation,themaximumdis2placementandstressfieldsweregivenundertheactualoffset0.02mmdeformationonthequartzchipcomponents,thentheoptimizationpro2gramofthequartzchipbeamwasproposedunderthestressdistribution.Theresultsindicatethatthemaximumstressofthequartzchipcom2ponentsremainthesameincreasingasaccelerationloadsandlessthantheallowablestressofquartzmaterial.Keywords:chipcomponents;stressanalysis;finiteelementsimulation的模型上,但是对于传感器中摆片和骨架装配后的整体应力分析还缺乏系统研究。本研究将铝合金骨架及石英摆片利用Pro/E建模并装配后导入ANSYS,根据载荷计算的结果进行了静态应力分析仿真,并在此模型上分析了石英摆片组件在实际情况偏转0.02mm时的应力场及随加速度载荷增大时的最大应力变化情况,为石英摆片梁的结构优化设计提供了理论依据。0引言石英挠性加速度计是一种用来测量微小加速度的高精度传感器[1],是惯性系统的重要部件,具有精度高、体积小、环境适应能力强等优点[2]。石英摆片组件是石英挠性加速度计的核心组件[3]。石英挠性加速度计最易损坏的地方就是其关键部件石英摆片组件的双挠性梁,该梁厚度极薄,是由石英脆性材料腐蚀而成,容易断裂。因而,对石英摆片组件的应力分析是极其重要的,相关文献[426]利用简化的石英摆片模型划分网格进行了应力分析,只是将骨架的质量计算在摆片1工作原理石英挠性加速度计主要是由检测质量摆组件、力收稿日期:2010-05-07基金项目:浙江省重大科技攻关资助项目(2008C11068)作者简介:李安(1982-),男,湖南浏阳人,主要从事机电一体化方面的研究.E2mail:35083185@qq通信联系人:张云电,男,教授,博士生导师.E2mail:zyydd@hdu.edu·2·机电工程第27卷矩器、电容式信号器和伺服电路4个关键部分组成,具有力反馈的平衡调节系统,以牛顿经典力学三大定律作为基本原理测量加速度。在结构上,电容信号器的两个极板、力矩器的力矩线圈都在检测质量摆上[7]。石英挠性加速度计结构图如图1所示,两磁钢组件轴向充磁后,在结构上强行磁极对顶固定,互为对方的反向磁极,在间隙间形成均匀磁场。当沿加速度计的输入轴方向有加速度作用时,由石英摆片和力矩线圈组成的摆片组件因惯性作用而相对于平衡位置将发生微小偏转,从而产生惯性力或惯性力矩,则差动电容器间距发生改变导致电容量发生变化,再通过伺服放大器检测这一变化并变换成相应的输出电流信号,电流信号被馈送到处于恒定磁场中的力矩器而产生反馈力或反馈力矩,与输入加速度引起的惯性力或惯性力矩相平衡,直到再次恢复到平衡位置,电流大小通过检测采样电阻两端电压而得出[8]。由于梁很薄且自身重量很轻,并且假设梁的偏转位移不受限制,因此可将挠性梁简化为悬臂梁受集中载荷和弯曲组合变形的模型,如图3所示。图3挠性梁简化模型悬臂...