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        計及橫向剪切效應(yīng)的環(huán)形諧振子理論研究

        2022-08-05 02:34:36裴永樂高立民李曉輝李錄賢
        導(dǎo)航定位與授時 2022年4期
        關(guān)鍵詞:變形理論結(jié)構(gòu)

        裴永樂,高立民,徐 亮,李 華,李曉輝,李錄賢

        (1.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所,西安 710119;2.西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院,機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室,飛行器環(huán)境與控制陜西省重點實驗室,西安 710049)

        0 引言

        環(huán)形諧振子是諧振陀螺的一種典型諧振子結(jié)構(gòu)類型,由于環(huán)形諧振子與旋轉(zhuǎn)薄殼型諧振子(如半球諧振子)具有相似的動力學(xué)特性,因此可用環(huán)形諧振子的模型來簡化研究半球諧振子唇緣的動態(tài)特性。經(jīng)典的環(huán)形諧振子理論是在不考慮橫向剪切變形的條件下,基于彈性力學(xué)基本原理以及幾何中心線(或稱幾何中性軸)不可拉伸假設(shè)建立的,因此,該經(jīng)典理論只適用于高徑比(即結(jié)構(gòu)高度與幾何中心線曲率半徑之比)較小的薄環(huán)結(jié)構(gòu)。

        在實踐過程中,特別是在高過載條件下,如導(dǎo)彈的發(fā)射過程、彈體的侵徹過程等工況下,過小的高徑比容易造成諧振子局部剛度不足,進而引起諧振子結(jié)構(gòu)失效,因此,需要使用高徑比較大的諧振子。在這種情況下,若仍使用忽略橫向剪切效應(yīng)的經(jīng)典環(huán)形諧振子理論來設(shè)計諧振子,可能會造成很多問題,例如計算的彎曲撓度偏小、臨界屈曲載荷偏大等。因此,目前亟需建立考慮橫向剪切效應(yīng)的環(huán)形諧振子理論及動態(tài)響應(yīng)問題的求解方法,這對于高精度諧振陀螺的研究具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價值。

        本文主要根據(jù)梁板理論的研究方法,從能量原理角度分析環(huán)結(jié)構(gòu)的動態(tài)問題?;跈M向剪切效應(yīng)的梁板理論主要包括基于線性位移模式的低階理論(如Timoshenko理論)和基于高次位移模式的高階理論等??紤]到基于高次位移模式的高階理論邊界條件復(fù)雜、物理意義不明確,很難獲得理論解。因此,為了便于工程計算,本文擬從經(jīng)典Timoshenko理論的位移模式出發(fā),根據(jù)經(jīng)典環(huán)形諧振子理論的基本假設(shè)和能量原理,建立考慮橫向剪切效應(yīng)的環(huán)形諧振子新理論,并研究環(huán)形諧振子在緩慢、勻速轉(zhuǎn)動過程中的動態(tài)響應(yīng)問題。

        1 環(huán)形諧振子結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述

        (1)

        圖1 圓環(huán)結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)系示意圖Fig.1 The ring-shaped structure and its coordinate system

        并且

        (2)

        環(huán)形結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系可以表示為

        (3)

        其中,分別為截面上的正應(yīng)變和剪應(yīng)變。

        對于均質(zhì)材料的環(huán)結(jié)構(gòu),其本構(gòu)關(guān)系可以表示為

        (4)

        其中,分別為截面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力;=[2(1+)]表示材料的剪切模量。

        對于環(huán)結(jié)構(gòu)問題,其廣義應(yīng)力的定義如下

        (5)

        其中,、和分別為周向拉力、彎矩和剪力。

        因此,根據(jù)幾何關(guān)系式(3)和本構(gòu)關(guān)系式(4),可得環(huán)結(jié)構(gòu)的廣義本構(gòu)關(guān)系為

        (6)

        (7)

        并且,“′”表示物理量對周向坐標(biāo)的一階偏導(dǎo)數(shù)。

        2 環(huán)形諧振子結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述

        對于一個緩慢、勻速轉(zhuǎn)動的環(huán)形諧振子,其動態(tài)響應(yīng)問題的求解一直是諧振陀螺領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容,特別是進動系數(shù)、二階彎曲角頻率等參數(shù)。因此,本節(jié)利用上述位移模式式(1)、廣義應(yīng)力式(5)、應(yīng)變式(7)以及本構(gòu)關(guān)系式(6),根據(jù)哈密頓原理,對環(huán)形諧振子動態(tài)響應(yīng)問題進行系統(tǒng)地研究和求解。

        根據(jù)環(huán)結(jié)構(gòu)的哈密頓原理,可得

        (8)

        并且

        (9)

        (10)

        其中

        (11)

        將本構(gòu)關(guān)系式(6)代入平衡方程式(10)中,從而有

        (12)

        至此,建立了考慮橫向剪切效應(yīng)的環(huán)結(jié)構(gòu)理論,此外,環(huán)形結(jié)構(gòu)的連續(xù)性(周期性)條件可表述為

        (13)

        3 動態(tài)問題的求解方法

        進動系數(shù)及二階彎曲角頻率是諧振陀螺設(shè)計領(lǐng)域的重要參數(shù),為了獲得環(huán)形結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)問題的理論解,同樣引入幾何中心線不可拉伸假設(shè),從而有

        (14)

        (15)

        (16)

        其中,()和()為位移分布函數(shù)。

        根據(jù)式(6)、式(7)和式(16),對于動態(tài)問題,剪力(,)可表示為

        (17)

        為了評估橫向剪切變形對結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響,考慮到式(16),假設(shè)

        ()sin(2)]

        (18)

        其中,為待定系數(shù),表征截面剪力大小,其值與、等物理量有關(guān)(見第4節(jié))。

        將式(14)和式(16)代入平衡方程式(12),利用布勃諾夫-伽遼金法整理可得

        (19)

        其中

        (20)

        進而,進動系數(shù)和二階角頻率為

        (21)

        根據(jù)式(21),基于本文理論獲得環(huán)形諧振子的進動系數(shù)不再恒為2/5,其值會隨著高徑比等物理量的變化而改變;另一方面,由于待定常數(shù)的存在,利用經(jīng)典的幾何中心線不可拉伸假設(shè)及布勃諾夫-伽遼金法求解諧振子動態(tài)響應(yīng)問題時,存在一個待定常數(shù)難以直接確定的問題。

        4 待定常數(shù)的求解

        為了確定待定常數(shù),考慮到進動系數(shù)和二階角頻率的解析表達式中有相同的待求參數(shù),并且很難通過其他方法獲得進動系數(shù)的準(zhǔn)確值。因此,本文擬利用二階彎曲角頻率值推導(dǎo)值,最終獲得進動系數(shù)的精確值。對于環(huán)結(jié)構(gòu),在考慮橫向剪切效應(yīng)的條件下,獲得環(huán)結(jié)構(gòu)二階彎曲角頻率的最有效方法是有限元分析法。

        在實踐過程中,為了提高諧振子的品質(zhì)因數(shù),環(huán)形諧振子一般選取熔融石英材料,力學(xué)性能如下:密度=2201kg/m,彈性模量=727GPa及泊松比=016。此外,為了便于求解,這里取無量綱參數(shù)=,式(21)可轉(zhuǎn)化為

        (22)

        (a)有限元模型

        (b) 二階彎曲振型

        圖3 環(huán)結(jié)構(gòu)二階無量綱彎曲角頻率ω2隨h/r變化的規(guī)律Fig.3 The variation of the second-order dimensionless bending angular frequency for the ring structure with h/r increasing

        同時,根據(jù)圖3以及式(22)之二式,可獲得曲率半徑=20mm,50mm及100mm條件下值隨的變化規(guī)律,如圖4所示。根據(jù)圖4可知,在不同的曲率半徑條件下,參數(shù)隨著的增加而單調(diào)增大:在較小時(如=002時),趨近于零;在較大時(如=02時),可達0.082左右。并且當(dāng)曲率半徑取不同值時,隨著的增加,隨著變化曲線的一致性很好,最大相對誤差小于0.02%。

        圖4 參數(shù)s1隨h/r變化的規(guī)律Fig.4 The distribution of parameter s1 with h/r increasing

        為了準(zhǔn)確獲得()函數(shù)的具體形式,取的幾何平均值進行分析(在相同條件下)。根據(jù)最小二乘法,最終擬合的()函數(shù)具體形式為

        (23)

        其中

        (24)

        并且,擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.9997,如圖4中曲線()所示。因此,最終獲得了函數(shù)的具體形式如下

        =()

        (25)

        5 結(jié)果分析與討論

        (26)

        其中

        (27)

        圖5 無量綱彎曲角頻率ω2隨h/r的變化規(guī)律Fig.5 The variation of the second-order dimensionless bending angular frequency ω2 with h/r increasing

        圖6 進動系數(shù)K隨h/r的變化規(guī)律Fig.6 The distribution of the precession coefficient K with h/r increasing

        此外,考慮到擬合()的復(fù)雜性,為了便于工程應(yīng)用,本文還研究了=0的特殊情況(即=0時),獲得了二階彎曲角頻率及進動系數(shù)的簡化理論解,如圖5及圖6所示。此時,根據(jù)式(16)、式(17)和式(18),從而有截面剪力(,)=0,截面轉(zhuǎn)角(,)≠0,即環(huán)結(jié)構(gòu)剪力為零時,仍存在截面轉(zhuǎn)角的變化。根據(jù)圖5和圖6可知,對于二階彎曲角頻率,簡化理論解較本文標(biāo)準(zhǔn)理論解大,較經(jīng)典環(huán)理論解小,如當(dāng)=0.2時,簡化理論解較本文標(biāo)準(zhǔn)理論解大1.39%,較經(jīng)典理論解小0.30%;對于進動系數(shù),簡化理論解略小于本文對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)理論解,明顯小于經(jīng)典理論解,如=0.2時,簡化理論解較本文理論解小0.02%,較經(jīng)典理論解小0.42%。需要強調(diào)的是,雖然基于本文理論的進動系數(shù)與經(jīng)典理論結(jié)果的相對誤差在0.4%左右,但是這對于高精度諧振陀螺的設(shè)計及模型誤差分析仍具有重要的指導(dǎo)意義。

        通過分析本文理論解中各項所對應(yīng)的物理內(nèi)涵,特別是與廣義應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)造成上述差異的根本原因在于,本文的環(huán)形諧振子理論不僅可以準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)彎曲變形的能量(特別是廣義彎曲應(yīng)變),而且可以準(zhǔn)確描述結(jié)構(gòu)橫向剪切變形的能量(特別是廣義剪切應(yīng)變):橫向剪切變形的大小對于二階彎曲角頻率的理論解有重要影響,彎曲變形的大小對于進動系數(shù)的理論解有重要影響。此外,盡管本文簡化理論解不能精確表征環(huán)結(jié)構(gòu)的橫向剪切變形,但可以描述結(jié)構(gòu)的彎曲變形。令人遺憾的是,經(jīng)典環(huán)形諧振子理論由于無法精確表征環(huán)形結(jié)構(gòu)的橫向剪切變形及彎曲變形,因此對應(yīng)的二階彎曲角頻率和進動系數(shù)理論解都不夠準(zhǔn)確。

        6 結(jié)論

        本文從環(huán)形諧振子結(jié)構(gòu)的線性位移模式出發(fā),基于Timoshenko理論,獲得了環(huán)形結(jié)構(gòu)的廣義應(yīng)力、應(yīng)變及本構(gòu)關(guān)系,根據(jù)哈密頓原理,建立了考慮橫向剪切效應(yīng)的環(huán)形諧振子理論,包括廣義本構(gòu)關(guān)系、平衡方程和周期性邊界條件等。然后根據(jù)布勃諾夫-伽遼金法,推導(dǎo)出包含待求參數(shù)的環(huán)形諧振子二階彎曲角頻率和進動系數(shù)的理論解。接著根據(jù)有限元法及最小二乘法,利用獲得的二階彎曲角頻率來擬合待求參數(shù)()的函數(shù)形式。在此基礎(chǔ)上,忽略項,獲得了簡化理論解。最后,對比和分析了本文標(biāo)準(zhǔn)理論解與簡化理論解各自的優(yōu)缺點(即=()與=0時),并揭示了經(jīng)典環(huán)形諧振子理論的不足。

        本文的工作表明:1)本文的環(huán)形諧振子理論不僅可以描述環(huán)結(jié)構(gòu)的彎曲變形,而且可以描述結(jié)構(gòu)的橫向剪切變形;2)環(huán)結(jié)構(gòu)橫向剪切變形和彎曲變形的大小對于二階彎曲角頻率和進動系數(shù)的理論解取值具有重要的影響;3)環(huán)形諧振子的進動系數(shù)不是恒定的,它會隨著的增大而緩慢地減?。?)本文的簡化理論解不僅求解方法簡單,而且可以準(zhǔn)確描述進動系數(shù)的大小。此外,本文建立的諧振子新理論不僅可以為高精度諧振陀螺的設(shè)計提供理論支撐,而且可以為諧振子誤差分析模型提供新的視角,特別是在密度和品質(zhì)因數(shù)的不均性、加工誤差及高過載等因素引起的誤差分析方面。因此,本文的研究工作具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價值。

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