超声悬浮式球转子陀螺的动力学设计与试验研究

摘要

本课题来源于国家自然科学基金（项目编号：11174149）、南京航空航天大学基本科研业务费专项科研项目基金（项目编号：NJ2011001）以及南京航空航天大学2010年度第二批研究生创新基地（实验室）开放基金(已顺利结题，评审结果为优秀)。
　　本文围绕近场超声悬浮及驱动技术在球转子陀螺中的创新应用这一主题，进行了新型球转子非接触式压电作动器的结构设计、振动结构诱发近声场的机理分析和声固耦合模型的建立,并进行了样机的悬浮和驱动特性方面进行了试验研究。本文的主要研究内容概括如下：
　　1、分析了近场超声悬浮的物理本质和动力学机制，针对当前机械转子式陀螺仪的发展现状，提出了将近场超声悬浮应用于转子式陀螺的支承和驱动，并给出了超声悬浮式陀螺仪的定义和姿态检测方法。
　　2、提出了三种可用于构建超声悬浮球转子陀螺仪的非接触式压电作动器：碗式压电作动器、轴/径向耦合式压电作动器以及压电球定子式压电作动器，并详细分析和阐述了三种球转子压电作动器的工作原理，并对其进行了结构动力学分析和和电激励方式的设计。
　　3、分别建立了碗式压电作动器和轴/径向耦合式压电作动器的声固耦合分析模型，深入分析了结构诱发近声场作用的物理机制，为超声悬浮式陀螺的系统设计和分析奠定了基础。
　　4、制作了碗式压电作动器和轴/径向耦合式压电作动器样机，搭建了试验测试平台，开展了定子模态试验、悬浮和转速特性的试验分析，在此基础上对上述两种作动器开展了进一步的结构改进和优化设计，两种方案的样机均成功实现了球转子的悬浮和旋转，转速达到了千转每分钟。

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图表清单

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第一章 绪论

1.1 机械转子陀螺仪的支承及驱动方式

1.2 非接触式压电作动器的研究现状

1.3 课题研究的目的、意义和内容安排

第二章 超声悬浮陀螺仪的工作机理与声辐射压分析

2.1 超声悬浮陀螺的运动机理及姿态检测方法

2.2超声波基础

2.3瑞利声辐射压力和朗之万声辐射压力

2.4 本章小结

第三章 超声悬浮陀螺仪的结构设计及其电激励方式

3.1 碗式定子驱动的球转子非接触式超声悬浮陀螺及其电激励方式

3.2 轴/径向耦合式驱动的球转子非接触超声悬浮陀螺及其电激励方式

3.3压电球定子驱动的球转子非接触式超声悬浮陀螺及其电激励方式

3.4 本章小结

第四章 超声悬浮陀螺仪定子仿真分析与设计

4.1 碗式超声悬浮陀螺定子结构的有限元分析

4.2 碗式超声悬浮陀螺定子声场仿真

4.3 轴/径向耦合式超声悬浮陀螺定子结构的有限元分析

4.4 轴/径向耦合式超声悬浮陀螺定子结构声场仿真

4.5压电球超声悬浮陀螺定子结构的有限元分析

4.6压电球超声悬浮陀螺定子的制备

4.7本章小结

第五章 超声悬浮陀螺仪定子样机的试验研究

5.1 超声悬浮陀螺定子的模态试验

5.2 碗式陀螺定子优化前性能测试

5.3碗式陀螺定子优化后性能测试

5.3轴/径向耦合式超声悬浮陀螺定子性能测试

5.4 本章小结

第六章 全文总结

6.1 本文的主要贡献

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