超声悬浮陀螺仪的多物理场耦合有限元分析

摘要

本文主要利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合有限元软件对碗式非接触式压电作动器的小型化后的结构,即轴—径向耦合超声悬浮陀螺仪的轴向悬浮驱动装置进行有限元分析。通过计算得到定子和转子间的空气层中的声场分布情况和转子所受到的声辐射力的大小及此非接触式压电作动器的悬浮刚度的大小。本文的主要研究内容归纳如下:
　　1.通过将碗式超声悬浮压电作动器的结构的小型化提出了一个新的结构,同时用有限元法对新结构进行了模态分析和谐响应分析。
　　2.加工出这个作动器。这个作动器的轴向悬浮驱动装置为碗状,而径向驱动装置为圆柱状。同时搭建实验平台对这个作动器的悬浮特性和驱动特性进行测量。实验中,半球状的转子的悬浮力由定子和转子间的声场提供。定子的振动产生行波从而驱动转子的转动。因此这个作动器为非机械支撑作动器。
　　3.在COMSOL Multiphysics中建立此作动器的有限元模型。经对比经有限元法计算得到的在不同电压下的悬浮高度和实验测量值,从而验证了此有限元模型的正确性。接下来针对实验中出现的问题,对此作动器的一些设计参数进行修改来探索是否能够提高这个作动器的性能。
　　4.计算中所研究的参数包括辐射面的半径、转子的形状和定子表面环状的槽口尺寸等。通过有限元计算可以对结构的优化进行一定的指导。声辐射压在转子的表面的分布是不均匀的。而悬浮力和悬浮刚度对定、转子尺寸上的微小变化是非常敏感的。在定子上开尺寸适当的槽会增加悬浮力和悬浮刚度。

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图表目录

注释表

第一章 绪论

1.1机械陀螺仪的支撑和悬浮方式

1.2非接触式压电作动器的研究状况

1.3 本课题研究意义、目的和内容

第二章 超声悬浮陀螺仪的工作原理

2.1 超声悬浮陀螺仪的运动机理

2.2 声波基础

2.4 本章小结

第三章 超声悬浮陀螺仪整体的多物理场耦合有限元分析

3.1 超声悬浮陀螺仪的定子的有限元分析

3.2超声悬浮陀螺仪轴向悬浮装置的多物理场耦合的有限元模型

3.3 有限元法不同驱电压下超声悬浮陀螺仪的振幅和声压分布

3.4 本章小结

1. 第四章 轴—径向耦合超声悬浮陀螺仪的结构设计与性能测试

4.1轴—径向耦合超声悬浮陀螺仪的设计方案的简单介绍

4.2 轴—径向耦合超声悬浮陀螺仪的性能测试

4.3 本章小结

2. 第五章 基于多场耦合有限元计算对超声悬浮陀螺仪的悬浮特性的探究

5.1 加工陀螺仪的定、转子时出现的微小偏差对陀螺仪性能上的影响

5.2 对陀螺仪结构的优化的探索及计算

5.3陀螺仪的定子的工作模态上的和结构上的改进对陀螺仪性能上的影响

5.4本章小结

第六章 全文总结

6.1全文总结

6.2 本文的创新点

6.3 下一步研究方向

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文