静电悬浮加速度计热分析与热设计的初步仿真研究

摘要

作为空间航天器载荷中精密测量仪器的静电悬浮加速度计，研究分析其整体温度情况以及检验质量TM处的温度波动具有重要意义。GOCE、LISA和LISA Pathfinder等航天器都对温度问题进行了相关的研究，LISA Pathfinder航天器还设置有一个专门的热诊断子系统诊断温度影响。本论文基于本课题组的有内热源的电路与机械一体化设计的静电悬浮加速度计实际模型，在给定的外界环境条件以及内部环境状况下，对其进行简化，并进行了热分析仿真以及基于热分析仿真结果的热设计仿真。机械与电路一体化的设计导致了加速度计载荷内部有源，本论文着重研究这一类有源结构的静电悬浮加速度计的温度情况以及其热设计方法的仿真。
　　论文采用基于有限元方法（FEM）的软件 COMSOL Multiphysics对加速度计进行仿真。首先是对模型的简化，把具有很多小结构的实体模型进行简化，并对边界条件进行简化整合。实体结构的主要部分由内到外分别为检验质量TM、极板框、真空腔、电路板与电路框、外壳。随后论文拟定两部分仿真：在外界环境温度为Tamb=20+sin(2π/60t)正弦波动，波动幅度为1℃时对加速度计的热分析仿真；在热分析结果之后对加速度计进行热设计并仿真。两部分仿真都是瞬态仿真求解，得出以下结论：
　　(1)经过5h后检验质量TM处温度稳定在(20.026℃，20.032℃)区间内波动，波动幅度为0.003℃。检验质量TM上最大温度差为5×10?5℃。
　　(2)热设计之后，检验质量TM在经过66h还未达到稳定波动状态，温度仍然在缓步上升。检验质量TM上最大温度差为6.6×10?7℃。
　　(3)热设计仿真降低了整体温度以及检验质量的温度，均匀了检验质量的温差，但是增大了稳定时间。
　　结合研究结论，提出了后续设计的改进方案并仿真，为以后的实验奠定了理论基础，并对热诊断进行了一定的展望。

目录

声明

1 引言

1.1课题研究背景

1.2课题研究意义

1.3国外研究现状

1.4论文主要内容以及章节安排

2 静电悬浮加速度计的理论热分析以及模型简化过程

2.1静电悬浮加速度计的实际模型

2.2静电悬浮加速度计的理论热分析

2.3静电悬浮加速度计的简化模型

2.4本章小结

3 基于FEM有限元软件的加速度计热分析仿真

3.1FEM有限元热分析仿真总体介绍

3.2加速度计热仿真前设置

3.3加速度计热仿真网格划分以及迭代计算

3.4仿真结果与分析

3.5本章小结

4 基于FEM有限元软件的加速度计热设计仿真

4.1热设计方案

4.2热设计方案仿真

4.3仿真结果与分析

4.4后续的一些仿真结果与分析

4.5本章小结

5 总结与展望

致谢

参考文献