陀螺光纖內(nèi)的光纖環(huán)膠接固定方式分析*

黃遲航 ，王斌華，胡 橋，孔 軍，陳 平

(1.長(zhǎng)安大學(xué)，道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064; 2.西安交通大學(xué)，陜西省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049;3.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710072; 4.慣性技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，航空工業(yè)自控所，陜西 西安 710065)

0 引 言

光纖陀螺是一種全固態(tài)、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的角位移和角速度測(cè)量?jī)x器，運(yùn)用于海、陸、空等慣性導(dǎo)航領(lǐng)域[1]。光纖陀螺需要在復(fù)雜惡劣的環(huán)境中正常工作并保持工作可靠性。光纖陀螺在大機(jī)動(dòng)或者強(qiáng)振動(dòng)工況下，光纖環(huán)在陀螺內(nèi)膠粘固定位置會(huì)改變相互耦合荷載分布，影響結(jié)構(gòu)形變。這種復(fù)雜的工況會(huì)導(dǎo)致光纖環(huán)組件的形變，進(jìn)而影響到光纖陀螺的核心器件——光纖環(huán)的結(jié)構(gòu)形變。由于光纖環(huán)是精密部件，對(duì)于內(nèi)部應(yīng)力極為敏感，會(huì)造成光纖陀螺測(cè)試不精確，故對(duì)光纖環(huán)組件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是極為重要的。

文獻(xiàn)[2]對(duì)光纖陀螺環(huán)圈骨架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了改進(jìn)光纖陀螺外罩設(shè)計(jì)的研究，這使得光纖環(huán)溫度時(shí)空變化率降低，且有助于改善Shupe誤差所導(dǎo)致的零偏誤差。文獻(xiàn)[4]采用冗余配置方案設(shè)計(jì)了新型光纖陀螺組合支架，并通過(guò)ANSYS有限元軟件進(jìn)行模態(tài)和頻率響應(yīng)分析優(yōu)化，提高了光纖陀螺的精度和可靠性。文獻(xiàn)[5]對(duì)光纖陀螺的結(jié)構(gòu)核心采用不同的材料，并利用仿真軟件進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，對(duì)比分析結(jié)構(gòu)材料的比剛度對(duì)光纖陀螺性能的影響。文獻(xiàn)[6]針對(duì)了光纖陀螺溫度場(chǎng)不均勻的問(wèn)題，對(duì)溫度場(chǎng)模型進(jìn)行文太和瞬態(tài)仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了光纖陀螺溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

綜上所述，對(duì)于光纖環(huán)組件的優(yōu)化多是陀螺結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)核心采用不同材料和溫度補(bǔ)償?shù)确矫娴膬?yōu)化。筆者則是針對(duì)振動(dòng)工況下光纖環(huán)形變的優(yōu)化。由于光纖環(huán)是通過(guò)固化膠粘劑粘接在光纖環(huán)組件中，不同的布置方式會(huì)對(duì)加速場(chǎng)下的光纖環(huán)產(chǎn)生不同形變。因此筆者選取4種膠粘劑在光纖環(huán)組件中的布置方式，并將陀螺光纖環(huán)組件放于不同的加速度場(chǎng)中，仿真對(duì)比分析得出合理布置方式。

1 光纖環(huán)組件結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

光纖環(huán)組件由法蘭固定在光纖陀螺基座上，其由U型槽、頂蓋、膠粘劑和光纖環(huán)四部分組成。光纖環(huán)通過(guò)膠粘劑粘接在U型槽內(nèi)，與其同心，頂蓋與U型槽裝配后，激光焊接固定。光纖環(huán)組件示意圖如圖1所示，光纖環(huán)的橫斷截面示意圖如圖2所示。U型槽與頂蓋的材料參數(shù)均為軟磁合金，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1所示。由于光纖環(huán)是各向異性復(fù)合材料，本文通過(guò)細(xì)觀力學(xué)有限元方法[7]計(jì)算得出的光纖環(huán)等效材料參數(shù)如表2所列。

圖1 光纖環(huán)組件結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 光纖環(huán)橫截?cái)嗝?/p>

表1 軟磁合金和膠粘劑的材料參數(shù)

表2 光纖環(huán)等效材料參數(shù) /GPa

2 光纖環(huán)組件有限元分析

2.1 有限元模型建立

利用前面所述的材料參數(shù)，通過(guò)ANSYS有限元軟件建立幾種膠粘劑放置方式下的光纖環(huán)組件有限元模型。并采用SHELL單元模擬U型槽和頂蓋，SOLID單元模擬光纖環(huán)和環(huán)氧粘膠劑。通過(guò)設(shè)置不同光纖環(huán)膠接固定方式得出相對(duì)應(yīng)陀螺光纖環(huán)組件的形變影響。

2.2 膠粘劑的布置方式以及工況選擇

文中設(shè)計(jì)了4種膠粘劑固化布置方式，也即膠粘劑在光纖環(huán)組件中的相對(duì)固定位置，如圖3所示。深藍(lán)色填充部分4即為膠粘劑。由于光纖環(huán)的外側(cè)圓面有電路，而且光纖環(huán)的尾纖在外側(cè)面，所以在光纖環(huán)的外側(cè)和U型槽進(jìn)行粘接是不準(zhǔn)確的。光纖環(huán)是通過(guò)固化膠粘劑與U型槽相連，其布置方式直接影響到光纖環(huán)的形變，后續(xù)仿真計(jì)算將分析得出不同布置方式的組件在不同加速場(chǎng)下的形變影響。

圖3 光纖環(huán)組件膠粘劑放置示意圖1.U型槽 2.頂蓋 3.光纖環(huán) 4.膠粘劑

根據(jù)光纖環(huán)組件實(shí)際工作環(huán)境，所選加速場(chǎng)為+X向10 g，即橫向方向。其中，文中將+X向10 g加速度場(chǎng)定義為施加在沿+X向10 g的載荷。加速場(chǎng)為+Y向10 g，即軸向方向。

根據(jù)前文采用四種膠粘劑的布置方式的工況進(jìn)行計(jì)算分析。由于整個(gè)光纖環(huán)組件的對(duì)稱性，結(jié)構(gòu)受到+X與+Z的加速場(chǎng)的影響是相同的。故工況選擇如表3所示，共有八種工況，限于篇幅，選擇加速度場(chǎng)+X向10 g的工況計(jì)算云圖進(jìn)行說(shuō)明分析。

2.3 光纖環(huán)的變形結(jié)果分析

前四種工況下，采用了+X向10 g的加速度場(chǎng)，光纖環(huán)組件和光纖環(huán)的形變分別如圖4、5所示，在不同工況下，根據(jù)不同膠粘劑的布置方式下的形變結(jié)果對(duì)比分析得出光纖環(huán)在加速場(chǎng)下的形變，且找出膠粘劑的最優(yōu)布置方式。

如圖4所示，由圖(a)、(b)、(c)和(d)對(duì)比分析可得，四種工況中的光纖環(huán)組件的總形變分別是2.574 mm、1.740 mm、0.822 mm和1.113 mm。采用圖(c)工況三的膠粘劑布置方式的光纖環(huán)組件總形變最小為0.822 mm，效果顯著。

表3 膠粘劑放置方式

圖4 不同膠粘劑布置方式的光纖環(huán)組件總形變圖

圖5 不同膠粘劑布置方式的光纖環(huán)總形變圖

如圖5所示，由圖(a)、(b)、(c)和(d)對(duì)比分析可得，四種工況中光纖環(huán)的總形變分別是2.574 mm、1.013 mm、0.675 mm和1.078 mm。采用圖(c)工況三的膠粘劑布置方式的光纖環(huán)總形變最小為0.675 mm。所以綜合考慮得出:圖3(III)膠粘劑布置方式-光纖環(huán)上表面和內(nèi)側(cè)面布置粘膠劑較為有效的減少光纖環(huán)的變形，是4種布置方式中較為理想的。

同理，在+Y向10 g的加速度場(chǎng)作用下，針對(duì)工況五、六、七和八仿真計(jì)算可以得出，四種工況中的光纖環(huán)組件的總形變分別是0.934 mm、0.778 mm、0.261 mm和0.513 mm。采用圖3(III)膠粘劑布置方式的光纖環(huán)組件總形變最小為0.261 mm，這說(shuō)明該布置方式下光纖環(huán)組件的形變減少效果較為明顯。不僅如此，光纖環(huán)的總形變分別為0.837 mm、0.700 mm、0.189 mm和0.425 mm。當(dāng)光纖環(huán)組件受到+Y向10 g的加速度場(chǎng)作用時(shí)，采用圖3(III)膠粘劑布置方式，也即光纖環(huán)上表面和內(nèi)側(cè)面布置粘膠劑，這會(huì)使光纖環(huán)結(jié)構(gòu)形變較小。

綜合上述分析結(jié)果，對(duì)于X向加速度和Y向加速度時(shí)，各種粘接方式產(chǎn)生的光纖環(huán)形變差異都是相同的。并且考慮到實(shí)際的工作環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)多個(gè)方向上的平動(dòng)加速度場(chǎng)，所以建議采用光纖環(huán)上表面和側(cè)面布置布置粘膠劑的方式，該布置形式能適應(yīng)實(shí)際復(fù)雜工況下的形變要求,且能較為理想的減少光纖環(huán)在加速度場(chǎng)下的結(jié)構(gòu)形變。

3 結(jié) 論

通過(guò)以上分析可以得出以下結(jié)論：

(1) 膠粘位置對(duì)光纖陀螺組件和光纖環(huán)本體的形變影響顯著，因此對(duì)于光線陀螺設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)膠粘劑位置進(jìn)行優(yōu)化分析，能有效提高光纖陀螺的測(cè)量精度。

(2) 通過(guò)光纖環(huán)平面內(nèi)和光纖環(huán)軸向加速度場(chǎng)分析可知，光纖環(huán)平面內(nèi)的加速度場(chǎng)作用時(shí)，光纖環(huán)組件和光纖環(huán)本體結(jié)構(gòu)的形變較大，因此綜合實(shí)際工況下加速度場(chǎng)多變的特點(diǎn)，建議采用光纖環(huán)上表面和內(nèi)側(cè)面布置膠粘劑的方案。

探究了模擬振動(dòng)工況下膠粘劑對(duì)光纖環(huán)組件和光纖環(huán)的形變影響。通過(guò)采用不同的膠粘劑布置方式，對(duì)不同加速場(chǎng)下光纖環(huán)組件進(jìn)行有限元分析，對(duì)比分析得出減少光纖環(huán)形變較為理想的膠粘劑布置方式。這對(duì)于光纖環(huán)組件的后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考，也為提高載體大機(jī)動(dòng)情況下光纖陀螺的測(cè)試精度提供了方向。