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        一種彈性膠粘劑在石英加速度計(jì)中的應(yīng)用

        2017-08-01 01:51:56祝漢岐章培成
        導(dǎo)航與控制 2017年4期
        關(guān)鍵詞:有限元

        郭 祎,李 納,祝漢岐,章培成

        (北京航天時(shí)代慣性儀表科技有限公司,北京100039)

        一種彈性膠粘劑在石英加速度計(jì)中的應(yīng)用

        郭 祎,李 納,祝漢岐,章培成

        (北京航天時(shí)代慣性儀表科技有限公司,北京100039)

        針對(duì)石英加速度計(jì)偏值問題,提出了擺片組粘接膠粘劑的選用原則,并應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行了仿真研究。分析結(jié)果表明,固化后彈性模量小的膠粘劑粘接面產(chǎn)生的應(yīng)力較小,有利于提高石英加速度計(jì)偏值的穩(wěn)定性。進(jìn)一步對(duì)選用的彈性膠粘劑進(jìn)行了強(qiáng)度檢測(cè),測(cè)試結(jié)果表明石英加速度計(jì)的偏值穩(wěn)定性得到了明顯改善。

        膠粘劑;石英加速度計(jì);應(yīng)力;偏值

        Abstract:To improve bias stability of quartz accelerometers,the paper presents a selection principle of adhesive to bond reed and coil,andmade a simulation analysis.The analysis shows that the stress of adhesivewith low elasticmodulus after curing is smaller and can help improving the stability of the quartz accelerometer bias.On the basis,the paper carry a strength test on the elastic adhesive,and the test results show that the stability of the partial stability of the quartz acceler?ometer is obviously improved.

        Key w ords:adhesive;quartz accelerometer;stress;bias

        0 引言

        K0問題是提高石英撓性加速度計(jì)精度要解決的重要問題之一。K0問題,就是零偏穩(wěn)定性問題[1]。在影響K0的主要因素中,擺片和膠是兩個(gè)主要因素。這里主要考慮膠的因素,通過選用合適的膠,提高膠的性能,解決石英加表的連接強(qiáng)度和穩(wěn)定性問題。

        偏值可表示為所有作用與擺組件上力矩的綜合作用,理想的結(jié)構(gòu)是撓性梁截面完全不受到應(yīng)力作用。擺片組是表芯中的重要件,骨架與石英擺片平面涂膠粘接如圖1所示。實(shí)際上擺片組中,帶線圈骨架與石英擺片的膠粘結(jié)構(gòu)中,由于膠粘劑固化后有一定的收縮效應(yīng)[2],以及骨架和擺片材料線膨脹系數(shù)不一致,內(nèi)應(yīng)力和熱應(yīng)力始終存在。減小膠接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力和熱效應(yīng),有利于減小偏值誤差,提高偏值穩(wěn)定性。因此,選用合適的膠粘劑非常重要。

        1 擺片組粘接常用膠粘劑情況

        目前,擺片組的用膠情況大致可以分為2種。

        1)固化后為玻璃態(tài)的硬性膠粘劑。目前常用的是單組份環(huán)氧膠,這種膠具有較大的彈性模量,量級(jí)在109Pa~1010Pa,具有較高的粘接強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度。然而從式(1)可以看出,在溫度變化過程中,這種膠粘接擺片組產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,會(huì)抵消一部分膠粘強(qiáng)度,這樣不僅影響表的精度,甚至影響表的可靠性。

        2)固化后在工作溫度為高彈態(tài)膠粘劑。如美國(guó)某公司的硅橡膠,固化溫度約為150℃,固化時(shí)間為4h。這種膠具有高彈性,彈性模量較小,量級(jí)在107Pa~108Pa。20世紀(jì)80年代,森德斯坦公司為了減小QA系列石英加表擺片組中膠粘接結(jié)構(gòu)由于溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力,使用具有高彈性的硅橡膠替代之前的低膨脹環(huán)氧膠粘劑(彎曲模量約為11GPa),應(yīng)用于擺片組粘接中,取得了一定效果。

        根據(jù)膠粘劑的選用原則,在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中,粘接技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)著眼于膠接件體系的相互匹配,而不應(yīng)追求膠粘劑的某些單項(xiàng)優(yōu)異性能[3]。在骨架與石英擺片的粘接中,骨架材料為鋁合金,擺片材料為石英玻璃。由于石英玻璃的線膨脹系數(shù)為0.54×10-6,鋁合金的線膨脹系數(shù)為23.6×10-6,因此在溫度變化時(shí),粘接結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,如式(1)所示。

        式中,P為熱應(yīng)力,Δt為膠粘劑的固化溫度與室溫的差值,Δα為被粘接材料之間線膨脹系數(shù)的差值,E為膠粘劑的彈性模量,γ為泊松比。

        從式(1)可以看出,膠粘結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力的大小與溫度的變化、材料的線膨脹系數(shù)差、材料的彈性模量成正比,并與泊松比有關(guān)[4]。因此,降低熱應(yīng)力的有效途徑一是采用低固化溫度膠粘劑以降低溫度差;二是采用模量低、延伸率高的膠粘劑以減小E。

        基于上述分析,本文選用了一種彈性結(jié)構(gòu)膠粘劑。此膠粘劑為雙組分糊狀,高彈性,適用于金屬膠接,工作溫度為-55℃~60℃,剪切強(qiáng)度為15.9MPa,廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

        2 擺片組膠粘有限元分析

        采用有限元法可以較精確地計(jì)算出內(nèi)應(yīng)力的大小、分布和應(yīng)力集中點(diǎn)[5?6]。為分析擺片組粘接結(jié)構(gòu)受力情況,運(yùn)用有限元軟件建立了有限元模型[7?8]。

        2.1 模型簡(jiǎn)化與建立

        為簡(jiǎn)化模型,進(jìn)行了以下內(nèi)容假設(shè):

        1)骨架、擺片、膠均為各向同性材料;

        2)忽略骨架切口形狀;

        3)假設(shè)固化后膠粘劑為彈性體,忽略各結(jié)構(gòu)件塑性變形;

        4)粘接面涂膠完全均勻,厚度完全一致;5)忽略擺片面形和骨架粘接面面形影響。將模型簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱二維平面應(yīng)力模型,如圖2所示。

        2.2 結(jié)果分析

        在溫差為100℃條件下的計(jì)算結(jié)果經(jīng)過平面旋轉(zhuǎn)成的模型的應(yīng)力云圖如圖3所示,從圖3中可以看出膠層內(nèi)圈應(yīng)力較小,外圈邊緣附近應(yīng)力最大,該部位容易發(fā)生破壞。

        (1)膠粘劑彈性模量對(duì)應(yīng)力的影響

        本文對(duì)不同彈性模量 0.5GPa、1.0GPa、1.5GPa、2.0GPa的膠粘劑進(jìn)行模型計(jì)算,從計(jì)算結(jié)果中發(fā)現(xiàn),膠粘劑彈性模量越大,粘接面的分布應(yīng)力也越大,具體如圖4所示。

        (2)膠粘劑膨脹系數(shù)對(duì)應(yīng)力的影響

        本文對(duì)具有不同熱膨脹系數(shù)10PPM、50PPM和100PPM的膠粘劑進(jìn)行模型計(jì)算,從計(jì)算結(jié)果中發(fā)現(xiàn),膠粘劑對(duì)徑向應(yīng)力的影響較大,膨脹系數(shù)越大膠粘劑受到的壓應(yīng)力也就越大,如圖5(a)所示。而對(duì)軸向應(yīng)力和切向應(yīng)力基本無(wú)影響,如圖5(b)、圖5(c)所示。這是因?yàn)閿[片組粘接膠層厚度較薄為0.02mm,因此在軸向方向產(chǎn)生的熱變形較小。從圖5(d)等效應(yīng)力圖來(lái)看,采用低膨脹系數(shù)的膠粘劑有利于降低粘接應(yīng)力。

        3 膠粘劑強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

        針對(duì)彈性膠進(jìn)行了耐高低溫實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果如表1所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:彈性膠的剪切力、強(qiáng)度和能承受的最大加速度均優(yōu)于單組份環(huán)氧膠。

        表1 兩種膠粘劑耐高低溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Tem perature test data of two kinds of adhesive

        續(xù)表

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        在采用新的彈性較好的彈性膠粘接擺組件后,對(duì)6只樣機(jī)進(jìn)行了模型方程參數(shù)標(biāo)定和溫度系數(shù)測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。從表2中可以看出,K0的溫度系數(shù)均在15μg/℃以下,對(duì)085#、044#進(jìn)行了為期2個(gè)月的穩(wěn)定性測(cè)試,數(shù)據(jù)如表3所示,從測(cè)試結(jié)果看,K0、K1、K2和δp在兩個(gè)月內(nèi)的數(shù)據(jù)均在10以下。

        表2 溫度系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 Test data of temperature coefficient

        表3 085#和044#兩個(gè)月長(zhǎng)穩(wěn)測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 Two months stability testing of 085#and 044#

        5 結(jié)論

        本文針對(duì)石英加速度計(jì)出現(xiàn)的偏值問題,對(duì)擺片組用膠粘劑進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)在溫度變化環(huán)境下,采用彈性模量小、熱膨脹系數(shù)小的膠粘劑能顯著減小粘接面的熱應(yīng)力,提高石英加速度計(jì)的偏值穩(wěn)定性,降低偏值溫度系數(shù)。

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        App lication of Elastic Adhesive in Quartz Accelerom eters

        GUO Yi,LINa,ZHU Han?qi,ZHANG Pei?cheng
        (Beijing Aerospace Times Inertial Instruments Technology Company,Beijing 100039)

        U666.1

        A

        1674?5558(2017)02?01269

        10.3969/j.issn.1674?5558.2017.04.008

        郭祎,女,碩士,動(dòng)力機(jī)械及工程專業(yè),高級(jí)工程師,研究方向?yàn)槭闲约铀俣扔?jì)。

        2016?04?20

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