专利名称：一种惯性测量单元外壳结构的优化设计方法
技术领域：
本发明属于惯性测量技术领域，具体涉及一种惯性测量单元外壳结构的优化设计方法。
背景技术：
惯性测量单元是一种导航、制导组件，广泛应用于军事领域。惯性测量单元一般由三个加速度计和三个陀螺仪组成，在安装上要求三个加速度计两两正交，三个陀螺仪两两正交，并且要求三个加速度计和三个陀螺仪的敏感轴向要分别和运动载体坐标系中的X 轴、Y轴、Z轴方向一致。军事领域的应用不但要求惯性测量单元的敏感器件(即加速度计和陀螺仪)有很高的安装精度，而且还要求惯性测量单元可以承受恶劣环境，如弹药发射时的高过载等。在这种条件下，就需要一个合理的外壳结构，在很好的固定三个加速度计和三个陀螺的同时，还要能够对相关器件进行保护。由于对惯性测量单元的外壳结构精度要求很高，因此，如何保证主体外壳结构在安装、运输、使用和保存等过程中尺寸的精度，外壳结构的模块设计或结构设计是否合理， 是否会在使用中由于受力出现较大形变，如何控制产品的受力形变等都是设计的难点；同时，由于外壳结构还要承受一定的冲击，为了不影响到惯性测量单元的输出精度，就要保证冲击过程中惯性测量单元内的敏感器件不被损坏、零位不会发生太大变化，这些也都是设计的难点。目前惯性测量单元的外壳结构设计主要依赖于设计人员在经验基础上的定性分析，这种方法缺乏可靠的设计依据，缺乏理论指导，设计安全系数较大，设计结构偏于保守。 如果由于模块设计或结构设计依靠经验设计的不合理导致出现产品修改的问题，轻则修改结构重新试验，重则导致惯性测量单元的总体设计失败。应用传统的依赖于设计人员经验基础的设计方法，不但对设计人员和实验人员有相当高的要求，同时又要不断的重新试制更新结构，这样无形之间延长了惯性测量单元的开发周期、增加了开发成本，造成不必要的浪费。
发明内容
本发明的目的是为了克服传统的依赖于设计人员经验基础的设计方法对设计人员和实验人员要求高、开发周期长、成本高等缺点，提供了一种惯性测量单元外壳结构的优化设计方法，该方法能够及时更正结构设计错误，降低惯性测量单元的开发成本，缩短惯性测量单元的开发周期。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种惯性测量单元外壳结构的优化设计方法，包括下列步骤步骤1、将惯性测量单元外壳结构进行模块划分，设定各模块的强度、刚度、形变阀值；步骤2、根据用户要求对步骤1中划分的各模块进行结构设计，确定各模块形状、壁厚、器件的布局和形状，完成计算机辅助设计建模；步骤3、应用计算机辅助工程结构分析方法对设计后的各模块组合成的惯性测量单元的外壳结构进行模拟分析，得到惯性测量单元外壳结构的固有振动频率、固有振型、在固有振动频率下各节点的形变、在振动情况下的受力和形变、在安装过程中产生的强度、刚度、形变、在冲击过程中的强度、刚度、形变；步骤4、根据计算机辅助工程结构分析方法获得的惯性测量单元外壳结构的参数值得到惯性测量单元外壳结构的整体形变、谐振频率、强度和刚度分布情况；步骤5、若划分后的一个或多个模块的强度、刚度或形变参数值超过设定的阀值， 则提出惯性测量单元外壳结构的优化方案，对划分的各模块重新进行结构设计，确定各模块的形状、壁厚、器件的布局和形状，完成计算机辅助设计建模，返回步骤3;否则，此次设计的惯性测量单元外壳结构的各模块形状、壁厚及惯性敏感器件的布局和形状符合要求， 完成惯性测量单元外壳结构的设计。与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明提供的优化设计方法用CAE (Computer Aided Engineering，计算机辅助工程)结构分析取代了传统的经验判断和强度校核计算方法，提高了验证分析的能力和准确性，为惯性测量单元的合理设计提供了依据。本发明利用CAE结构分析对惯性测量单元外壳结构进行模态分析，得到外壳结构的谐振频率，并据此进行了结构优化，有效地提高了外壳结构抑制整体谐振的能力，提高了产品设计的可靠性和稳定性；利用CAE结构分析对惯性测量单元外壳结构在各种工况情况下进行受力和形变分析，得到外壳结构强度、刚度和形变的分布情况，从而优化了设计方案，节约了产品材料；利用CAE结构分析，提高了产品研制的成功率，避免了由于惯性测量单元外壳结构使用中的形变造成的整体失效等风险； 通过CAE结构分析，得到了指导设计的有效分析数据，方便设计人员总结出结构设计的经验，归纳形成设计的规范和标准。
图1为惯性测量单元外壳结构的优化设计方法流程图；图2为惯性测量单元外壳结构的示意图；图3为惯性测量单元外壳结构的应力分布图；图4为惯性测量单元外壳结构的形变分布图；图5为惯性测量单元外壳结构采用方法1进行优化后的形变分布图；图6为惯性测量单元外壳结构采用方法2进行优化后的形变分布图；图7为惯性测量单元外壳结构采用方法3进行优化后的形变分布图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示，一种惯性测量单元外壳结构的优化设计方法，包括下列步骤步骤1、将惯性测量单元外壳结构进行模块划分，设定各模块的强度、刚度、形变阀值；惯性测量单元包括结构底座、连接螺钉、阻尼胶、电池盒，为了便于加工、装配、检测，对惯性测量单元整体进行模块划分，划分成结构底座模块、连接螺钉模块、阻尼胶模块、 电池盒模块。分别设定结构底座模块、连接螺钉模块、阻尼胶模块、电池盒模块各自的强度、刚度、形变阀值。步骤2、根据用户要求对步骤1中划分的各模块进行结构设计，确定各个模块的形状、壁厚、器件的布局和形状，完成CAD (Computer Aided Design，计算机辅助设计)建模；对步骤1中划分的各模块进行模块结构设计，针对惯性测量单元内部敏感器件的摆放位置和相互之间的影响关系，确定各个模块的形状、壁厚、敏感器件的安装位置。步骤3、应用CAE (Computer Aided Engineering,计算机辅助工程)结构分析方法对设计后的各模块组合成的惯性测量单元的外壳结构进行模拟分析；首先，将设计后的各模块进行组合，各模块间的粘贴面都设置为接触面，将惯性测量单元外壳按照实际应用中的安装形式进行边界约束，即对惯性测量单元的基准面安装孔施加边界位移约束；然后，对惯性测量单元的外壳结构进行模态分析和谐响应分析、对运输过程中受到的轻微振动进行受力和形变分析、对安装过程中的受力和形变进行分析、对冲击载荷时的受力和形变进行分析，得到惯性测量单元外壳结构的固有振动频率、固有振型、在固有振动频率下各节点的形变、在振动情况下的受力和形变、在安装过程中产生的强度、刚度、形变、在冲击过程中的强度、刚度、形变。具体如下1)对惯性测量单元的外壳结构进行模态分析和谐响应分析；对惯性测量单元的外壳结构进行模态分析，得到惯性测量单元外壳结构的固有振动频率和固有振型；利用惯性测量单元外壳结构的模态分析得到的固有振动频率，对惯性测量单元的外壳结构进行谐响应分析，得到惯性测量单元的外壳结构在固有振动频率下各节点的形变。2)对惯性测量单元的外壳结构在运输过程中受到的轻微振动进行受力和形变分析；对惯性测量单元的外壳结构进行振动分析，得到惯性测量单元的外壳结构在振动情况下的受力和形变。3)对惯性测量单元的外壳结构在安装过程中的受力和形变进行分析；对惯性测量单元的外壳结构进行静力分析，施加的力为安装过程中惯性测量单元受到的外力，得到惯性测量单元的外壳结构在安装过程中产生的强度、刚度、形变。4)对惯性测量单元的外壳结构在冲击载荷时的受力和形变进行分析。对惯性测量单元的外壳结构进行冲击分析，得到惯性测量单元的外壳结构在冲击过程中的强度、刚度、形变。步骤4、根据CAE结构分析得到的惯性测量单元外壳结构的参数值得到惯性测量单元外壳结构的整体形变、谐振频率、强度和刚度分布情况等；通过步骤3中所得的分析结果，得到惯性测量单元外壳结构的整体形变、谐振频率、强度和刚度的分布情况。步骤5、若划分后的一个或多个模块的强度、刚度或形变参数值超过设定的阀值，则提出惯性测量单元外壳结构的优化方案，对划分的各模块重新进行结构设计，确定各模块的形状、壁厚、器件的布局和形状，完成计算机辅助设计建模，返回步骤3 ；否则，此次设计得到的惯性测量单元外壳结构的各模块形状、壁厚及惯性敏感器件的布局和形状符合要求，完成惯性测量单元外壳结构的设计。提出的惯性测量单元外壳结构的优化方案包括改变设计的惯性测量单元外壳结构的各模块的形状、壁厚及惯性敏感器件的布局和形状等。实施例以惯性敏感器件的结构误差不超过0. 2mm、在冲击过程中不发生塑性形变为例，进行惯性测量单元的外壳结构的优化设计。具体如下将惯性测量单元的外壳结构进行模块划分后，对惯性测量单元的外壳结构在边界约束条件下进行CAE建模，即先将所需的CAD (Computer Aided Design，计算机辅助设计) 数据进行网格划分和简化工作。然后，将实际工况下的边界条件和约束情况施加在惯性测量单元的外壳结构上，对惯性测量单元的外壳结构进行CAE结构分析，如图2所示。图3为经过CAE结构分析的惯性测量单元的外壳结构的内部应力分布图，通过CAE 结构分析，得到惯性测量单元的外壳结构最大受力区域，惯性测量单元的外壳结构最大受力区域有多个，分别位于惯性测量单元外壳结构的每个螺钉连接件上，本实施例中惯性测量单元的外壳结构采用3个螺钉连接件，因此，最大受力区域有3个，分别位于惯性测量单元外壳结构的3个螺钉连接件上，图3中所示圆圈标示处1 (即最大受力区域)为3个最大受力区域中的1个，另外两个最大受力区域在其螺钉连接件上的所处位置与图3中标示的最大受力区域1在其螺钉连接件上所处位置相同。图3下侧的是表征应力值的色条，右端的应力值最大，左端的应力值最小，螺钉连接件中圆圈标示处的应力值最大，最大应力值为933MPa。由于惯性测量单元的外壳结构选用的是硬铝材料，在考虑工况条件下的结构设计，该应力不会造成材料的破坏和永久形变，证明此结构设计满足设计要求。图4为经过CAE结构分析的惯性测量单元的外壳结构的内部形变分布图，惯性测量单元的外壳结构通过CAE结构分析，得到惯性测量单元外壳结构上最大形变位置——中心挡片2，图4下侧的是表征形变值的色条，左端的形变最小，右端的形变值最大，如圆圈标示处中心挡片2的形变最大，最大形变为0. 203mm。由于中心挡片2属于惯性敏感器件的固定件，其最大形变会使其所固定的惯性敏感器件发生相对位移，导致所固定的惯性敏感器件的零位发生偏移，影响所固定的惯性敏感器件的测量精度。所以应该对中心挡片2的厚度、惯性测量单元外壳结构的底板或固定端子进行调整，使中心挡片2满足最大位移形变不超过0. 2mm。分析原因，主要如下1)中心挡片太薄，容易产生形变；2)底板太薄，中心区域本身的形变致使中心挡片随即产生形变；3)螺钉连接件太小，使得连接处应力过大，导致惯性测量单元外壳结构整体形变。针对上述分析，提出如下优化设计方法方法1 将中心挡片2加厚0. 2mm,使中心挡片2向外(沿图4所示坐标系的Z轴正方向)拓宽0. 2mm，其余参数不变；方法2 将惯性测量单元外壳结构的底板沿图4所示坐标系的Y轴正方向加厚0. 1mm，惯性测量单元外壳结构的上部空间随之缩小0. Imm ；方法3 将惯性测量单元外壳结构的所有螺钉连接件沿图4所示坐标系的Y轴正方向力口高0. 5mmο图5所示为按照方法1进行优化设计后的形变分布情况；图6为按照方法2进行优化设计后的形变分布情况；图7为按照方法3进行优化设计后的形变分布情况。可见，方法1效果明显，满足设计要求；方法2和方法3也满足要求，但方法2中减少了惯性测量单元外壳结构的上部空间，使得器件摆放的空间变小；方法3中，对惯性测量单元外壳结构的外部接口进行了改动，增加了安装的难度，因此，通常采用方法1的优化设计。经试验证明，采用方法1所设计的惯性测量单元的外壳结构的各项参数值与仿真结果相同，满足用户需求，证明本发明提供的优化设计方法有效。综上所述，本发明提供的优化方法降低了设计成本，节约了产品材料；利用CAE结构分析，提高了产品研制的成功率，避免了由于惯性测量单元外壳结构使用中的形变造成惯性测量单元失效等风险；通过CAE结构分析方法，得到了优化设计的有效分析数据，方便设计人员总结出惯性测量单元外壳结构设计的经验，可以归纳形成惯性测量单元外壳结构设计的规范和标准。
权利要求
1.一种惯性测量单元外壳结构的优化设计方法，其特征在于包括以下步骤，步骤1、将惯性测量单元外壳结构进行模块划分，设定各模块的强度、刚度、形变阀值； 步骤2、根据用户要求对步骤1中划分的各模块进行结构设计，确定各模块的形状、壁厚、器件的布局和形状，完成计算机辅助设计建模；步骤3、应用计算机辅助工程结构分析方法对设计后的各模块组合成的惯性测量单元的外壳结构进行模拟分析，得到惯性测量单元外壳结构的固有振动频率、固有振型、在固有振动频率下各节点的形变、在振动情况下的受力和形变、在安装过程中产生的强度、刚度、 形变、在冲击过程中的强度、刚度、形变；步骤4、根据计算机辅助工程结构分析方法获得的惯性测量单元外壳结构的参数值得到惯性测量单元外壳结构的整体形变、谐振频率、强度和刚度分布情况；步骤5、若划分后的一个或多个模块的强度、刚度或形变参数值超过设定的阀值，则提出惯性测量单元外壳结构的优化方案，对划分的各模块重新进行结构设计，确定各模块的形状、壁厚、器件的布局和形状，完成计算机辅助设计建模，返回步骤3 ；否则，此次设计的惯性测量单元外壳结构的各模块形状、壁厚及惯性敏感器件的布局和形状符合要求，完成惯性测量单元外壳结构的设计。
2.根据权利要求1所示的惯性测量单元外壳结构的优化设计方法，其特征在于所述的步骤3中的模拟分析包括对惯性测量单元的外壳结构进行模态分析和谐响应分析、对运输过程中受到的轻微振动进行受力和形变分析、对安装过程中的受力和形变进行分析、对冲击载荷时的受力和形变进行分析。
全文摘要
本发明属于惯性测量技术领域，目的是为了克服传统的依赖于设计人员经验基础的设计方法对设计人员和实验人员要求高、开发周期长、成本高等缺点。该方法包括(1)将惯性测量单元外壳结构进行模块划分；(2)对各模块进行设计；(3)对各模块组成的惯性测量器件外壳结构进行模拟分析；(4)得到整体形变等分布情况；(5)若一个或多个模块的强度等超过允许值，提出改进方案，重新进行设计，返回步骤(3)；否则，完成优化设计。本发明采用计算机辅助工程结构分析取代了传统的经验判断和强度校核计算方法，提高了验证分析的能力和准确性，而且缩短了修改周期，从而缩短了整个惯性测量单元开发的时间，为惯性测量单元外壳结构的合理设计提供了依据。
文档编号G06F17/50GK102254059SQ20111011753
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月9日 优先权日2011年5月9日
发明者刘宁, 刘洪 , 李擎, 苏中, 范军芳, 蒋工 申请人:北京信息科技大学