Газодинамическое демпфирование маятникового чувствительного элемента

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Механика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 396
Ю.В. Пузанкова
магистрант, кафедра «Авиационные приборы
и устройства»,
Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический
университет им. Р.Е. Алексеева» Т.В. Карасева
канд. тех. наук, доцент, кафедра «Авиационные приборы
и устройства»,
Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический
университет им. Р.Е. Алексеева»
ГАЗОДИНАМИЧЕСКОЕ ДЕМПФИРОВАНИЕ МАЯТНИКОВОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
Аннотация. В статье представлены подробные трехмерные модели чувствительного элемента (ЧЭ) и окружающего его воздушного пространства. На основании проведенных расчетов выбран оптимальный вариант расположения перфорационных отверстий с точки зрения минимизации коэффициента демпфирования. Для оптимального варианта приведены картины напряженно-деформированного состояния ЧЭ и состояния газовой среды, которые показывают, что минимальное давление на поверхности ЧЭ наблюдается в областях наиболее отдаленных от перфорации и краев.
Ключевые слова: чувствительный элемент, коэффициент демпфирования, перфорация, ANSYS.
J. V. Puzankova, Nizhni Novgorod State Technical University (Arzamas Branch)
T. V. Karaseva, Nizhni Novgorod State Technical University (Arzamas Branch)
ASSESSMENT OF GAS-DYNAMIC DAMPING OF PENDULUM-SENSITIVE ELEMENT
Abstract. The article presents detailed three-dimensional models of a sensitive element (SE) and the airspace that surrounding them. On the basis of the carried out calculations the best option of the perforations location was selected in terms of minimizing of the damping coefficient. For the optimum variant there is the view of the stress-strain state of the SE and the state of the gas medium, which indicate that the minimum surface pressure sensor is observed in the fields that are the remotest from the perforation and edges.
Keywords: sensor element, damping factor, perforation, ANSYS.
Оптимизация подвижного узла акселерометра маятникового типа с газодинамическим демпфированием необходима при противоречивых требованиях к конструкции. При увеличении начальной емкости за счет увеличения площади электродов в акселерометре с емкостным преобразователем перемещений повышается помехоустойчивость. Но выполненные действия приводят к передемпфированию подвижного узла, и для уменьшения демпфирования выполняют перфорацию чувствительного элемента (ЧЭ). В этом случае при уменьшении площади ЧЭ и электродов уменьшится начальная емкость — возникает противоречие. Таким образом, цель оптимизации: найти рациональное размещение перфорирующих отверстий по плоскости ЧЭ, тем самым максимально снизить коэффициент демпфирования при минимальных потерях емкости преобразователя. Одним из вариантов расположения перфорирующих отверстий на прямоугольном ЧЭ является крестообразное расположение по осям симметрии.
В качестве объекта исследования выступает (ЧЭ) акселерометра маятникового типа, представленный на рисунке 1. Для него требуется определить такое расстояние l до горизонтальной перфорации, при котором сопротивление окружающего ЧЭ газа при движении ЧЭ будет минимальным (в этом случае коэффициент демпфирования также минимален).
Моделирование динамики ЧЭ в газовом пространстве является сложной задачей, требующей решения уравнений газовой динамики и механики деформируемого твердого тела. Поэтому данная задача разбита на две подзадачи, в первой, с помощью прочностного решателя ANSYS Mechanical рассчитывается напряженно-деформированное состояние (НДС) ЧЭ, во втором, с помощью гидрогазодинамического решателя ANSYS-CFX рассчитывается состояние газовой среды вокруг ЧЭ.
На рисунке 2 показана геометрическая модель газовой среды. Для учета взаимного влияния друг на друга ЧЭ и газовой среды была применена технология двустороннего связывания прочностного и газодинамического решателей. В рамках данной технологии два решателя обмениваются необходимыми данными: прочностной решатель передает перемещение границы раздела сред, гидрогазодинамический передает давление, действующее на эту границу.
Далее эти подзадачи будут описаны отдельно.
Рисунок 1 — Чувствительный элемент акселерометра маятникового типа

0.8 мм U U U & quot-И U U '- п п? п V 4 0.8 мм *
0.8 ММ


Рисунок 2 — Газовая среда
Поскольку геометрические модели и нагрузки симметричны относительно плоскости OXY (рис. 1), то рассматривается только половина ЧЭ с приложением соответствующих граничных условий на плоскости симметрии.
Для расчета НДС используется программа ANSYS Mechanical, основанная на методе конечных элементов. Задача является динамической. Половина геометрической модели, изображенной на рисунке 1, была разбита на квадратичные, 20-узловые конечные элементы (КЭ) SOLID186 (рис. 3). В целом модель содержит -9200 элемента и -44 000 узлов (132 000 степеней свободы).
На модель были наложены следующие граничные условия: на торец подвеса наложено условие заделки (запрещены все перемещения), на плоскости OXY наложено условие симметрии.
В качестве нагрузки к модели была приложена постоянная угловая скорость относительно оси OZ равная 0,1042 рад/сек.
Использовалась упругая модель материала со свойствами кремния E=1,4−1011 Па, р = 2330 кг/м2 [1].
Рисунок 3 — КЭ модель ЧЭ
Для расчета состояния газовой среды используется программа ANSYS CFX, основанная на методе конечных объемов. Задача является динамической. Геометрическая модель, изображенная на рисунке 2, была разбита на =118 000 конечных объемов. Конечно-объемная модель газовой среды изображена на рисунке 4.
Рисунок 4 — Конечно-объемная модель газовой среды
На модель были наложены следующие граничные условия: на плоскости OXY наложено условие симметрии, на всей внешней поверхности наложено условие гладкой преграды.
Использовалась модель реального газа со свойствами воздуха при 250С: р=1,185 кг/м2, ^=1,8310−5
кг/мс.
Была проведена серия расчетов, в которых расстояние от края ЧЭ до перфорационных отверстий I варьировалась от 2,2 до 3,3 мм, во всех случаях рассчитывался коэффициент демпфирования системы по формуле [2]:
где Мд — демпфирующий момент, Нм, о — угловая скорость, рад/сек.
На рисунке 5 представлен график зависимости Кду от I. Из него видно, что оптимальным вариантом является ЧЭ с расположением перфорационных отверстий на расстоянии /=2,8 мм.
4,50Е-08

3,50Е-08 3, СЮЕ-08 О ^ 2,50Е-08. ^ 2. 00Е-08 1,50Е-08 1,00Е-08 5,00Е-09






2 2 2 4 2 6 2 /, ММ 8 3 3 2
Рисунок 5 — График зависимости Ка6 от /
На рисунке 6 изображено поле скоростей газовой среды, вызванное движением ЧЭ.
Рисунок 6 — Поле скоростей газовой среды
На рисунке 7 изображено давление, возникающее на поверхности ЧЭ при его движении в воздушной среде.
Рисунок 7 — Давление на поверхности ЧЭ
Рисунок 8 — Линии тока
На рисунках 9 и 10 изображены перемещения в направлении оси OY и напряженное состояние ЧЭ на момент прекращения расчета (0.2 с).
_ I) Ми
¦ О «(ИГ
Ш о он пи и| -шит 1−1 омш У
У '-й№К В ш»
¦ •"№"
¦ ШШ
1−1 -Ш"Т
И омпз В -оомп
¦ 0№ 4Л ш -ОЛКИп
Рисунок 9 — Перемещения Ч Э в направлении оси OY, мм (масштаб 260)
Рисунок 10 — Эквивалентные по Мизесу напряжения, МПа
В результате проведенных исследований была составлена подробная трехмерная модель ЧЭ с подвесом и окружающего его воздушного пространства. Определены геометрические характеристики расположения перфорирующих отверстий, исходя из условий создания минимального давления на поверхности ЧЭ.
Расчет динамики и напряженно-деформированного состояния ЧЭ при нагружении его угловой скоростью показывает, что для обеспечения оптимального времени переходного процесса с соблюдением минимальной колебательности перфорацию следует выполнять по продольной и поперечной осям. Минимальное значение коэффициента демпфирования достигается путем расположения демпфирующих отверстий по осям симметрии ЧЭ. При этом обеспечивается минимальные потери емкости первичного преобразователя.
Расчеты показали, что оптимальное расстояние от края ЧЭ до перфорации составляет 2,8 мм. Данные оптимальные характеристики достигаются в реальной воздушной среде, что подразумевает исключение необходимости применения других газов, таких как азот, аргон и т. п. Вследствие удаления материала ЧЭ снижаются его инерционные свойства, тем самым повышается чувствительность.
Список литературы:
1. Вавилов В. Д. Интегральные датчики. — Нижний Новгород: Изд-во НГТУ, 2003. — 500 с.
2. Распопов В. Я. Микромеханические приборы. — М.: Машиностроение, 2007. — 400 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой