文摘

谐振子的生命和伤害是很重要的因素,直接影响到服务的时间和高精度半球谐振陀螺的安全。然而,熔融石英玻璃材料在中国加工的半球形谐振器主要是进口的,它太贵了使用传统的疲劳寿命试验,所以有必要使用疲劳寿命分析的软件来分析其疲劳寿命。本文使用ANSYS软件分析石英谐振子的疲劳寿命,确定危险部分残余应力引起的疲劳裂纹扩展的分析部分,并获得和应力强度因子,从而有效地监控和防止fatigue-prone零件结构设计和使用过程中谐振子。

1。介绍

半球谐振陀螺仪(HRG)得到了广泛的应用和关注惯性技术领域的国内外由于HRG的性能优化1]。HRG的各向同性材料是高质量的,和HRG高精度球壳结构的核心技术2]。

目前,半球形谐振器的理想材料熔融石英玻璃(3]。根据熔融石英玻璃的研究和发展在中国,以及半球形谐振器的研究成果和经验国内外处理技术,结合熔融石英玻璃的技术瓶颈,在超精密加工复杂的曲面,有必要考虑谐振器处理技术,谐振器品质因数测试,频率差异测试,材料均匀,涂层技术作为一个系统工程来研究[4]。

2。半球形谐振器的基本结构

HRG的核心组件是半球形谐振器是由熔融石英玻璃。基本的形状是由圆柱形薄壁半球形外壳固定支撑杆在北极地区,和半球形弹性,这使得每个克谐振器的弯曲能量储存材料达到最大值(5]。支撑杆是集成了半球形壳。一方面,支撑杆可以抑制谐波谐振器和支持;另一方面,它也可以传输电子信号。共同支撑杆的直径是15 ~ 60毫米,壁厚是0.3 ~ 1毫米。半球形谐振器的结构如图所示1。

mm是谐振子的中腔半径; 毫米的壁厚是谐振子; mm是支撑杆的半径; 毫米, 毫米, 毫米的长度是支撑杆在不同的位置。半球形谐振器是熔融石英玻璃的材料。

为了分析HRG的动态性能,固体工作软件是用来画出二维谐振子与单端约束的草图,然后,三维谐振子模型是通过旋转程度(6]。solid-45 8节点被选中的元素网格半球形谐振器使用一个映射方法,并且每个有限元的谐振子是一个8-node六面体的元素,在熔融石英玻璃的杨氏模量 ,的密度是 ,和泊松比是0.17。

3所示。半球形谐振器的应力分析

3.1。应力强度因子

应力强度因子(SIF)是一个关键参数驱动裂纹增长,代表了裂纹扩展速率的半球形谐振器和反映了裂纹尖端附近的应力强度7,8]。应力强度因子之间的关系和微观应力表面裂纹尖端的半球形谐振器如下:

是无量纲系数半球形谐振腔的几何形状。

有不同的应力强度因子不同的裂纹增长类型,开放式(I型)、滑模(II型)和撕裂模(III型)9]。

我是由低应力性骨折类型。裂纹产生的平面垂直于裂纹表面的位移方向,和两个裂纹表面开放和独立。在每个方向的计算应力所示以下方程:

II型是由滑动的上、下表面由于剪切应力裂纹平行平面。在每个方向的计算应力所示以下方程:

类型III是交错的上、下表面由于剪切应力平行于表面裂纹和裂纹前缘;在每个方向的计算应力所示以下方程:

3.2。残余应力的分析

等效应力是材料力学第四强度理论(10]。压力等斜线是用来代表模型内的应力分布,结果在整个模型清楚地描述,这最危险的地区可以很快识别模型。材料疲劳的应力交替是一个重要的原因,以及压力的频率交替也直接影响半球形谐振子的疲劳。

残余应力是自我的内部压力平衡组件,这是组件的压力达到平衡在没有外部因素(11]。主要内部塑性变形的不均匀性造成的组件的过程中,和它的大小与组件材料的塑性变形(12]。空白的制备过程中,机械加工、热影响治疗,和电子组装,将产生残余应力13]。残余应力通常是有害的;有时,它不会立即出现缺陷,但当总应力叠加的工作应力和残余应力超过强度极限,它会造成突然的损害,这将严重影响组件的尺寸稳定、加工精度、静强度。残余应力也有有益的方面,可以提高疲劳强度和耐磨性谐振子的适当的控制(14]。

3.3。半球形谐振器的模拟和应力分析

3.3.1。预处理的模拟

谐振子模型是由固体导入到ANSYS工作;熔融石英玻璃的参数定义的纸,然后划分网格的半球形谐振器如图2:

3.3.2。模拟的压力变化

的所有自由度,支撑杆的上端是有限的,半球形壳下面部分是免费的,半球形谐振器的结构静态分析是在ANSYS进行的。半球形谐振器的应力变化进行了分析通过应用半球形球形表面0.5 MPa的压力和张力的方向垂直于球面。半球形谐振器的约束图模型图所示3。

3.3.3。后处理仿真

定义材料之后,施加载荷和约束,并添加结果,该模型可以解决。一旦完成解决方案,解决方案可以查看结果和后处理方案结果如下。

根据残余应力的等效应力的模拟图(图4),等效应力的最大值569.43 MPa的固定约束,以及等效应力的最小值是1.6795 - - - - - -5 MPa。

根据模拟残余应力强度(图5),残余应力强度的最大值为576.62 MPa的固定约束,以及等效应力的最小值是1.9098 - - - - - -5 MPa。

4所示。裂纹扩展的分析和疲劳寿命

4.1。谐振子的疲劳寿命

疲劳寿命循环次数的半球形谐振器压力下的疲劳损伤发生时或者持续时间受到压力。疲劳寿命的大小主要受材料的浓度加载压力、材料试样的表面光洁度,和类型的加载载荷的频率15]。

疲劳寿命检测的传统方法是基于疲劳损伤理论和大量的寿命试验数据。谐振子的疲劳数据使用相同或相似的实验获得的组件的实际情况(16]。然后,不同方案的疲劳寿命进行了分析通过疲劳寿命检查是否谐振子组件的疲劳寿命符合设计要求,以及疲劳寿命预测模型和方法的建立和实施科学的处理组件的过程中处理能够有效地提高材料的疲劳强度(17]。

4.2。裂纹扩展的分析

在实际工程应用中,疲劳裂纹扩展也是疲劳寿命预测的一个重要组成部分。造成的疲劳传播循环交变载荷。疲劳传播产生的表面,它将沿着传播方向垂直于裂缝的主要压力。加速裂纹扩展,应力逐渐增加(18]。当它到达的极限应力强度的材料,最终的瞬时断裂发生。

坐标系的三维裂纹和提示的半球形谐振器可以抽象为图所示6。

根据力学分析表面裂纹的线性弹性断裂力学裂纹尖端附近的位移场之间的关系所产生的任何意外载荷和应力强度因子可以表达如下: 在哪里是裂纹扩展长度;是裂纹开裂角;和 , ,和是不同类型的应力强度因子。 , ,和正常的径向位移,位移和裂纹尖端的切向位移。剪切模量;是常数相关材料。

如果一个点的位移之间的上、下表面裂纹,裂纹应力强度因子可以获得如下:

在本文中,基于模型的有限元法用于分析HRG地下裂缝的应力强度因子在残余应力状态下,它提供了理论依据HRG的疲劳寿命预测。

根据椭圆表面裂纹(图7),主裂纹为0.3毫米的半径和二级半径是0.1毫米。的 - - - - - -轴是裂纹扩展的方向, - - - - - -轴是正常的裂纹扩展方向, - - - - - -轴是椭圆裂纹的主要方向。加载后,等效应力改变旧习惯和I型应力强度因子图,IIs和III骨折数据所示8和9。

从图可以看出8有一个小压力变化之间的连接支撑杆和半球形壳。根据图9,I型应力强度因子 ,II型 ,和III型 由ANSYS计算。

4.3。HRG的疲劳寿命分析

4.3.1。矿工理论

假定应力达到疲劳应力限制不会破坏谐振子组件,和变幅应力的加载顺序负载没有累积疲劳损伤的影响。根据矿工的理论,(1)受到恒幅加载的组件时,组件的损坏造成的一个周期 在哪里是当前的负载级别相对应的疲劳寿命

造成的损害周期如下:

在那 ,疲劳失效发生。(2)组件受到变幅加载不同的压力水平并接受数循环应力作用下的水平。每周期造成的损害 ,然后,每个的疲劳损伤周期是 。当损伤累积疲劳损伤发生后, 在哪里是周期的数量对应于应力水平在 - - - - - - 曲线

4.3.2。抗疲劳强度曲线

HRG的疲劳寿命预测方法的基础上 - - - - - - (压力循环数)曲线估计生活,和总生活可以直接获得。目前,在疲劳寿命预测工程、Basquin公式通常被用来表达恒幅载荷下疲劳寿命与应力之间的关系。表达式如下: 在哪里是疲劳寿命周期的数量,直到组件被销毁;应力幅值;和是组件的疲劳强度系数,在哪个和真正的压力系数是一致的吗在静态拉伸断裂。疲劳强度指数。

对应的幂函数表达式 - - - - - - 曲线可以从上面的方程如下: 在哪里疲劳寿命周期和数量吗和是材料特性相关参数和负载。

陀螺在正常操作期间,HRG的位置是最容易发生疲劳破坏的是固定约束的杆。基于有限元分析的结果,MSC疲劳分析和设计工具是用来计算半球形谐振器的应力值,和 - - - - - - 曲线与应力值插值获得谐振子的疲劳寿命。的 - - - - - - 曲线如图10。

的 - - - - - - 曲线之间的关系是交变应力和断裂周期的材料,通常通过实验获得。标准试样的应力强度的对数的熔融石英材料作为纵坐标,和疲劳寿命的对数作为横坐标代表疲劳强度和疲劳寿命之间的关系的标准样品在一定循环特征。

4.3.3。模拟疲劳寿命

矿工累积疲劳准则用于疲劳计算。这个理论的假设下,变形模拟,模拟的损伤,安全系数模拟数据所示11- - - - - -13。

根据云图像分析,几乎没有变形的约束模型,虽然有不同程度的形变模型的其他地区,与最大值0.96312毫米。

根据云图像分析,0.5 MPa残余应力的存在会造成不同程度的损伤模型的不同部分,和最大值可以达到3.0325。此外,附近有轻微损坏球和杆之间的接触表面,从33778年到67456年不等。

疲劳寿命的解决方案的结果如图所示13。

根据疲劳寿命仿真图,分析残余应力的作用下,最短的位置生活是图中的红色区域,和这一领域的生命周期是3298.1。蓝色区域有最长的生命,生命周期是17倍,这表明,蓝色区域可以无限期地在残余应力的存在。

5。结论

最常见的失效模式失效是疲劳损伤。本文使用ANSYS软件模拟的影响残余应力的损伤和裂纹扩展熔融石英谐振子。半球形谐振器的最大残余应力为569.43 MPa。由于残余应力的存在,半球形谐振器将产生不同程度的变形和损伤约束之外的部分地区。矿工累积疲劳准则用于疲劳计算。生活是3298.1倍,最短,最长的生命周期是17次。残余应力引起的疲劳危险区域确定为固定约束半球谐振杆,和疲劳裂纹扩展分析执行区域,和三个裂纹应力强度因子 , ,和 获得,为结构设计提供理论支持和半球形谐振器的工程应用。

数据可用性

所需的原始/处理数据复制这些发现也不能在这个时候作为数据共享一个正在进行的研究的一部分。

的利益冲突

我们声明,我们没有任何商业或关联利益代表的利益冲突与提交的工作。

确认

这部分工作是在陕西省自然科学基金的支持下,该项目2020号jm - 488,和特殊陕西省教育部门的科研项目,项目编号20 jk0728。