高加速度（精选10篇）
高加速度 篇1
0 引言
随着航天、航空、生物工程、高速加工、军事、物流等领域的迅速发展，机械装置越来越广泛地在高加速度承载条件下运行，以我国军事领域应用为例，微小型飞行器引信、电子器件等在发射阶段加速度值已经超过105g(g代表重力加速度）以上，部分器件所承受加速度值已经高达1.5105g。由于部件在高加速度载荷作用下，其应力、应变、温度、振动、平衡等方面的特性会发生显著改变，导致部件功能失效，进而引发装备整体失去工作能力，此种情况对具有机械核心功能的发动机影响更为突出，因此为提高系统稳定性，对部件在高加速度承载条件下的力学特性和动态特性进行分析就显得尤为重要[1,2,3,4,5]。
环形转子部件是旋转类设备关键的核心结构件，特别是在高加速度加载条件下使用动态性能尤为重要，将直接影响系统的整体使用效果。为了提高转子部件的工作可靠性，需要在配合方式的选择方面更加注重高加速度加载条件的特征。对于转子部件的配合需要重点考虑部件配合的形式以及配合中的精度设计等关键因素。
1 典型配合方式在高加速度加载条件下的特征分析
转子部件为了实现一定的功能要求，例如传递扭矩、定位等，需要选择轴孔、键、螺纹等配合方式，各种配合方式在高加速度加载条件下会出现明显的性能变化。
以轴孔配合为例，为了便于分析将轴简化为无阶梯光轴，将轴上配合转子简化为均匀的中空圆盘，如图1所示。
选用钛合金为转动部件材料，密度为4480kg/m3，弹性模量115GPa。保持中空圆盘外半径为100mm，改变旋转轴的半径，在高转速下的间隙量如图2所示。
在高速旋转条件下轴上配合件的内孔径向尺寸变化明显，大大超过了轴的径向变形量，通常采用的大过盈量配合H7/u6和U7/h6的过盈量只有其近1/20，造成过盈配合失效的概率较大，须利用特殊的机构进行补偿。
在高加速度加载条件键配合力学特征也会出现明显的改变，为了便于对比分析，建立典型键配合的三维实体模型，分析其在高加速度加载条件下的力学特征。根据实际使用情况，选择的计算尺寸值如表1所示。
为具有代表性，轴、平键、转子均采用60SI2MnA钢，其密度为7800kg/m2，弹性模量216GPa，泊松比为0.3。为了模拟实际情况，平键采取过盈配合，所以平键侧面与轴和转子的接触面均是过盈配合，过盈量为0.05mm，当转速为ω=4800rad/s即RPM=45000r/min，在转子半径上60mm处达到离心加速度15万g，计算结果如图3所示。
从分析结果可以看出，由于惯性离心力载荷的作用，键配合出现了较为明显的应力集中效应，最大的应力极值点主要出现在径向的外侧接触点。如果改变转轴数值，则应力极值会出现下降趋势，但是应力极值却高于2412MPa，超过了材料的最大许用应力值，并不适合在高加速度加载条件下使用。
以螺纹紧固配合为例，其主要用于部件的定位，并在螺纹配合位置出现应力集中。设置旋转轴直径10mm，转子直径60mm，螺钉采用M4的圆头标准螺钉，螺钉长度8mm，安装在转子直径40mm处，材料均采用60SI2MnA钢，在载荷设置方面，对整个旋转装置施加离心力载荷，转速为ω=6059rad/s即RPM=58000r/min，在螺纹孔处即转子半径上40mm处达到离心加速度15万g。在螺钉螺纹上表面分别施加预紧力0N、1000N、2000N、3000N。预紧力增加会引起螺纹配合处应力集中值变化，其计算结果如图4所示。
2 配合精度的影响分析
转子部件的配合受到制造、装配、使用环境等多个因素的影响，对于实际工况下的配合状态是以上因素的综合作用结果。以制造误差为例，在离心力载荷的作用下将会出现较大的变化，应该引起配合选用方面的重视，以平行度误差为例对转子力学性能的影响进行分析，其转子参数如图5所示。
分析中，参数设置为D=2 0 0 m m,d0=4 5,a=1.5105g,d=10mm,r=1.5mm，分析平行度误差对转子力学性能的影响，转子部件只包括一个小孔，根据实际加工件结构，小孔到中心线的距离取为70mm，施加载荷后求解，应力应变云图如5所示。
由计算结果可知，转子等效应力和等效应变分布状态基本相同，考虑平行度误差条件下，随着精度等级的降低，平行度误差值增大，转子等效应力和等效应变也有明显增大趋势，在平行度误差精度取十级时，转子等效应力最大值比理想零误差状态下大30MPa，增长率约为理想状态下等效应力的3.75%。通过上述模型还可以获得对称度以及温度等造成的影响。
3 基于系统动态误差的转子部件配合设计
通过上述的误差影响分析，希望建立面向转子部件设计、制造、装配以及运行等关键环节的系统动态误差控制模型，确立科学的补偿策略，设定合理的转子部件公差优化设计原则，实现对转子部件动态特性干扰因素的主动式控制。为实现上述研究目的，应以误差影响分析为基础，将设计、制造、装配和运行等多环节协同考虑，建立转子部件的系统动态误差演化模型，建立多环节协同的动态误差补偿机制，提出相应的补偿策略，即在设计阶段考虑静态误差的变化规律，合理地利用应变等因素减少工作状态下孔、槽等局部结构的变形量，降低配合关系的力学特性转变程度，设立合理的公差设计原则，实现对振动、定位基础改变等干扰因素的主动控制，并为转子部件的不平衡量消减提供理论指导。
从上述分析结果可以得出，转子部件在超高稳态加速度承载条件下，如果误差为零的理想状态下，转子部件的应力、应变值将在旋转离心力载荷的作用下出现较大幅值，在这种影响力作用下转子部件的可靠性将受到巨大的影响，如果考虑到制造、装配和运行等多环节协同作用，这种影响将出现明显的增加趋势。从目前的加工精度控制方面的能力提升可以得出其产生的影响在不断地减小，但是高加速度加载值不断增加的趋势来看，工作特征参数引起的变化在不断地加强；同时需要考虑到转子部件的使用性能要求越来越高，零部件的配合关系也呈现出复杂的趋势，其配合关系也逐渐多样，例如形状定位配合等。
从目前制造角度分析，误差是不可避免的，但是应该对其影响程度进行分析。考虑到转子部件的实际工作情况，应该以对系统的影响进行评价分级，以尺寸误差为例，如果转子部件的外轮廓尺寸误差较大，但是其圆度和圆柱度误差小，对转子部件中部的应以极值影响较小。从分析的结果可以得出，转子部件最核心的因素是系统关于轴对称的程度控制。
结合典型误差分析结果，建立误差种类影响分析表，为了便于理解将转子部件的描述进行进一步明确。
从分析中可知，在配合过程中需要考虑的补偿效应主要是指由于工作参数影响的变形后需要考虑的相关因素。以轴孔配合为例，从分析的结果来看对于在工作状态下产生的变性将改变原有的配合状态，理想状态下的零间隙配合将由于小孔与轴的变形不一致导致靠近轴心一侧的间隙变大，远离轴心的一侧接触面增加，并出现具有较大应力作用的面接触现象。如果选择小过盈配合，则变形的整体趋势与零间隙配合类似，但是会导致靠近轴心一侧的出现间隙量，从而影响配合效果。以螺纹配合为例，在持续高加速度工作条件下，会出现一定的螺纹间隙，同时在不同的预紧力条件下，螺纹配合的紧固程度会有不同的对应结果，使得配合出现不同的情况。在键配合方面，平键等将会对轴心外侧的接触部件产生较大的离心力作用，在接触面产生明显的应力集中；如果键的初始安装预紧力不足以克服这种作用力，应力集中的效果会进一步加强。
4 结论
综上所述，在持续高加速度加载条件下，配合将产生的不同的变化形式，在某种条件下这种影响是正向的，是有利于实现其配合功能的；但是对于一些要求比较高的精密配合则会出现较大的影响，而且这种影响往往不可逆，会对原有的配合功能造成负面影响，使得原有的配合失效。因此需要合理地对配合关系在高加速度加载条件下的力学特征进行研究，得出科学的结论，在此基础之上，从全生命周期的视角出发，将设计、制造、装配以及运行等多环节协同考虑，建立转子部件的系统动态误差演化模型，使之趋于影响最小。以轴孔配合为例，为达到定位配合的目的，应适当的增加过盈量，在设计中考虑制造误差因素的基础上，给出合理的区间，并在制造过程中有倾向性的进行加工，在装配过程中要合理地进行配对，形成有效的配合模式。对于平键配合模式，应注意在设计过程中考虑其对轴心外侧配合面的挤压作用，避免出现过盈利失效。在这一过程之中应考虑到温度的影响，由于工作中导致配合部件的温度升高，产生热应力，也会对配合的形式产生动态影响。
参考文献
[1]ATWELL A R,OKOJIE R S,KORNEGAY K T.Simulation,fabrication and testing of bulk micromachined 6H-Si C high-g piezoresistive accelerometers[J].Sensors and Actuators A:Physical,2003,104(1):11-18.
[2]何宗颖,解凤娟,郭旻,等.高能量冲击条件下的加速度测试[J].火炮发射与控制学报,2010,30(3):329-333.
[3]石云波,朱政强,刘晓鹏,等.高g值加速度计的设计与冲击特性分析[J].爆炸与冲击.2010(1):85-88.
[4]王涛,王晓东,王立鼎.高g值加速度环境微结构动态特性[J].机械工程学报,2010,48(16):88-94.
[5]艾兴.高速切削加工技术[M].北京:国防工业出版社,2003.
高加速度 篇2
加速贷：信贷员必备回答 — 为什么贷款公司的利息
比银行高那么多？
1、融资条件不同：
去银行贷款门槛高：一般都是需要抵押的，而且必须要本地有买断的商品房才可以。也有部分银行推出了小企业贷、供房贷和保单贷，但也不是每个客户都够条件的。
P2P信贷的申请门槛很低：只需要客户有良好的信用记录和流水账即可申请贷款，只是通过与否的问题。
2、承担风险不同：
银行的风险很低，毕竟有抵押物，信贷什么抵押都没有，甚至连个担保人都没有，风险比银行高几百倍。
3、融资时效不同：
银行贷款一般都需要排队等一两个月才能放款，信贷签约后放款只需三天。对于急用钱的客户来说，时效高于一切。
4、融资成本不同：
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我们都银行给储户的利息很低，一年定期存10000元，一个月才二三十块钱。同样的条件，信贷给买理财产品客户一个月一般是100元左右，整整比银行多了七八十块钱。你说我们怎么可能比银行的利息低呢？
5、文摘：
客户经常会说：你们成本才多少钱，却要价这么贵！
小心！腰围过高加速衰老 篇3
某日开会，一位女士执意要问我的年龄。其实她本人是个才貌双全的成功人士，虽人到中年，仍容颜美丽，风韵优雅。她唯一羡慕的，是我的腰围，因为我的腰线看起来还很年轻。
腰围增大是一种危险信号
随着年龄的增加，无论男女，腰围似乎都会呈现不可遏制的增长趋势。很多人对此完全无所谓，觉得腰围无非是影响穿衣服的美观，上级没有因此辞退我，爱人没有因此嫌弃我，年龄大了腰围粗点很正常嘛。
然而，他们没有意识到，腰围日益增大，是一种危险的衰老信号。
《美国医学会杂志》2014年刊登了对一项多中心、以社区为基础的前瞻性研究（青年成人冠状动脉危险发展研究）进行的数据分析，研究结果表明，长期腹部肥胖独立于肥胖程度，与中年时期亚临床冠状动脉心脏病及其进展相关。这是什么意思呢？就是说，哪怕体重并不超标，只要肚子突出了，腰围长期居高不下，就会让人们容易在中年时期发生冠心病。肚子大腰围粗就是动脉硬化正在进展的一个重要指示。
研究还提示，防止或延缓青年肥胖，可能会降低中年动脉硬化的发生危险。也就是说，如果一个人从年轻的时候开始，持续处在腰腹肥胖的状态，是非常危险的。如果年轻时腰围小，腰腹脂肪少，动脉硬化的过程就会被推迟，中年时不容易发生冠心病。
其实，我国前两年的一项研究也得到了类似的结果。这项研究发现，即便体重完全处在正常范围，只要腹部突出，腰围过高，餐后的血糖和血脂就不正常。研究者测定了这些腰腹肥胖者的餐后血糖和血脂，发现他们和糖尿病人一样，餐后血糖异常高，同时和高血脂患者一样，餐后甘油三酯居高不下。而长期处于高血脂高血糖的状态下，人体就会提前衰老，胰岛素敏感性下降，动脉渐渐硬化，逐渐走向糖尿病和心脑血管疾病的危险状态。
对人体成分进行研究发现，腰围和内脏脂肪之间有着密切的关系。如果我们采取减肥措施，哪怕体重并不下降，只要腰围得到缩小，内脏脂肪减少，人体的生理年龄就会向年轻方向回归，疾病的危险也随之减小。
节食减腰围不科学
听到这里，很多人都迫不及待地问：用什么方法可以减少腰围呢？少吃当然是一个方法，但是少吃是有限度的。因为如果食量减少过多，就会造成营养不良。营养不良的情况下，身体基础代谢率下降，一旦恢复正常饮食，就会快速反弹，而且因为身体日常消耗的能量下降，会让人比从前更容易肥胖，也就是形成了“易胖难瘦”的体质。
少吃的另一个麻烦就是，虽然当时的确肚子变小，腰围变瘦，但是一旦体重反弹，脂肪沉积将更加集中于身体的中部，也就是说，虽然胳膊和腿并不变粗，肚子却会比从前更容易胖。
研究发现，每年都有很多人因为节食发生心理异常，患上“神经性厌食症”，瘦的皮包骨头而仍然不肯吃东西。这种疾病患者如果得不到强制的营养补充，会在中年之前因营养不良衰竭而死。给他们补充食物之后，发现他们的体重增加和正常人不一样。正常人会全身一起长胖，而这些营养不良者腹部所长的肥肉，以及内脏中脂肪的增加，要比正常人更多。
其实，节食或营养不良的害处，不仅仅体现在成年人的节食减肥过程中，也体现在从小的营养状态中，甚至是母腹胚胎时期的营养状态中。对贫困地区、灾难或战争地区进行的研究发现，从三年困难时期等严重食物不足时期熬过来的胎儿或幼儿，当时严重营养不良，过后虽然正常长大，但成年之后发生中部肥胖、并最终患上糖尿病的危险，要比从小营养充足的孩子更大。这也就意味着，如果不积极健身，即便吃同样的饮食，胚胎时期或幼年时期营养不良的孩子，中年时将会比别人更容易发生内脏肥胖，更容易患上糖尿病之类的慢性病。
因为我国是一个发展中国家，30年前大部分国民都处在营养不良状况下，现在刚刚富裕起来，这种幼时营养不良所造成的隐患，正好在当下体现出来。满街上那些大腹便便腰围膨胀的中年人，正反映出几十年来生活方式和饮食内容巨变所带来的健康后果。
怎样甩掉大肚腩
那么，怎样才能甩掉大肚腩，让自己的腰线重归健康和健美呢？其实方法很简单，无非是管住嘴加上迈开腿。
无需饥饿，只要把白米白面换成杂粮薯类，把油汪汪的炒菜换成蒸煮炖和凉拌菜，就是管住嘴的好方法。吃饭的时候，建议先吃一碗少油的蔬菜，然后再吃主食和其他菜肴，吃到八分饱就停嘴，既不会带来饥饿，又能避免肥肉上身。
餐后半小时一定不要坐下，可以做些家务，也可以散散步。每周150分钟以上的有氧运动对保持腰围是绝对必不可少的，而要想消除已经过多的腰腹脂肪，就需要再增加努力，每天保持40分钟以上的运动时间。
这位女士问我，究竟什么运动比较有利于瘦腰呢？是仰卧起坐吗？其实并不是。因为仰卧起坐仅仅能够强化腹肌，却不能消除脂肪。而且，做仰卧起坐的时间太短，也不能够起到消耗能量预防肥胖的明显作用。
最好的瘦腰运动，就是平淡无奇的跑步和快走。因为跑步和快走时步子较大，腰部需要剧烈扭动，腹部需要吸气收紧，所以它们看似下肢运动，其实对腰腹的减肥效果非常好。一方面，跑步和快走坚持半小时以上，能消耗较多的能量，有利于预防肥肉上身;另一方面跑步和快走对心肺功能有一定挑战，能强化内脏功能，有利于削减内脏脂肪含量。
不过，还要提醒一下，如果心肺功能能够承受的话，运动时最好能够变速，也就是说，不是匀速地走路或慢跑，而是慢一阵，快一阵，快到自己的最大限度，累了再慢下来一会儿，再加大强度，再慢下来。这样有几次高强度“段落”的运动，对身体有所挑战，运动效果会比四平八稳的匀速运动好得多。
如果一个人真的爱自己，爱家人，就不会容忍自己的肚腩不受约束地膨大，让糖尿病和心脑血管病一步步地逼近自己。如果你的身边有大肚子的亲友，赶紧劝他们改变饮食，赶紧让他们和你一起迈开双腿吧！
高加速度 篇4
微机电系统 (MEMS) 技术的迅速发展, 使得采用MEMS技术制造的微器件在寿命、可靠性、成本、体积和质量等方面都显示出巨大的优势, 使其在民用及军用领域都有着广泛的应用前景。目前, 采用MEMS技术制造的各种微机械传感器广泛应用于诸如汽车、机器人的测控系统、战术武器和智能炮弹的制导系统, 以及微小卫星的测控等航空航天各领域。采用MEMS技术制造的传感器由于其具有功耗小、可靠性高、抗振动冲击能力强等特点, 使其更能适用于各种恶劣工作环境以及各种极限条件下的应用, 如应用于高载荷条件下高g (重力加速度) 值加速度传感器、各种高低温环境下的传感器与执行器等, 正成为研究的一个热点[1,2]。
在各式微器件中, 通常是通过器件内挠性微结构的动态变形来实现其特定功能的, 微结构动态特性是考察器件性能的重要指标, 研究常态及各种恶劣工作情况下的测试技术, 尤其是动态测试技术是MEMS研究的一个重要方面。相对于工作在各种恶劣环境下的MEMS器件研发, 其在恶劣环境下的动态特性及测试技术的研究显得相对落后。到目前为止, 国内外对于MEMS器件在恶劣环境下的动态特性及测试技术方面还有许多待研究的方面。本文研究了高g值加速度条件下微结构动态测试技术, 建立了测试装置, 测试了高g值加速度条件下微结构的动态特性。
1 高g值加速度条件下微结构动态测试技术
不同于常规动态测试技术, 研究高g值环境微结构动态测试技术需要考虑以下三个方面的技术难点:①持续稳定高g值加速度测试环境的产生;②高g值环境下对微结构的激励;③在高g值环境下微结构动态响应信号的采集与传输。
对高g值加速度下微结构动态测试技术的研究, 需在一个持续稳定的高g值加速度环境下对微结构进行激励并采集动态响应信号, 完成微结构动态测试。常用的高速冲击法无法产生持续恒定的高g值加速度环境;高速离心法通过调整设备回转半径或改变转速可实现不同的持续稳定高g值加速度环境, 是一种理想的稳态高g值加速度产生方式。
基于MEMS工艺的微结构本身尺寸小 (毫米级到微米级) , 谐振频率高, 其动态测试激励装置必须具有较高的激励带宽, 且高g值加速度测试环境也对激励装置提出了严格要求。
基于底座激励的激振方式将微结构固定在底座上, 通过底座的运动实现对微结构的激励, 改变激励装置的驱动源可实现较宽带宽的激励, 结构简单、通用性强, 可用于高g值加速度条件下微结构动态测试技术的研究。当将待测试件安装在底座激励装置上, 待测试件在高g值加速度作用下将对底座产生很大的力, 因此在选择底座激励方式时, 必须考虑底座装置能承受较大的力, 同时能输出较大的作用力以激励安装于其上的试件。压电陶瓷响应迅速, 输出带宽大, 且具有输出较大推力的特性, 在外部稳定作用力下压电陶瓷的输出特性不会产生变化, 故采用压电陶瓷底座激励方式可以实现高g值加速度条件下对被测微器件的激励[3,4]。
微结构动态测试可以采用光测法和内置自测试 (built-in self-testing, BIST) 技术两种方法[5,6,7]。光测法可实现全场测试, 给出结构模态信息, 但在采用高速离心法的高g值加速度环境下, 测微结构随转台高速运转, 此时光测元件的安装、测试光斑定位、光路传输等方面存在着很大困难, 目前还难以应用到实际测试中。BIST技术由于将敏感元器件集成在被测试件上, 以试件输出作为响应输出, 不需额外的测试装置, 适用于高g值加速度下的动态测试;但BIST技术较难实现微结构全场测试, 难以提取结构的模态信息。由于MEMS器件主要关心的是其谐振频率, 因此本文借鉴BIST技术, 将敏感元件集成在被测器件上, 被测微结构受激励后响应信号通过集成敏感元件来检测。
被测微结构及压电陶瓷底座激励装置均安装在高速离心装置上随之高速旋转, 试件响应信号与压电陶瓷驱动电能如何实现在高速旋转装置与外部静止部件之间的传输, 也是需要解决的关键问题。在微结构动态测试中, 信号传输必须保证高的传输速率;同时兼顾压电陶瓷底座激励装置所需高电压大电流的传输、待测微器件集成敏感元件所需驱动信号等, 在此采用高速导电滑环实现多路信号传输。
2 高g值加速度环境微结构动态测试装置
根据上述高g值加速度条件下微结构动态测试技术的研究, 本文按如下技术方案构建测试装置:以高速离心转台高速旋转过程中产生的离心加速度实现持续稳定的高g值加速度环境, 利用离心转盘来搭载被测微结构;将微结构固定在压电陶瓷底座激励装置上, 通过压电陶瓷底座激励装置实现对微结构的激励;通过检测集成在被测微结构上的敏感元件的输出, 提取微结构的动态响应信号, 测试微结构在此稳态高g值加速度环境下的动态特性。测试装置的总体框图如图1所示, 主要包括电主轴单元、转盘单元、状态监测与分析单元、数据传输单元以及计算机采集存储和控制单元等部分, 高g值加速度环境微结构动态测试装置如图2所示。
电主轴单元是离心转盘的驱动部分, 采用电主轴直接驱动转盘。转盘单元主要包括了离心转盘和安装微结构的激励装置。转盘高速旋转产生高g值加速度环境, 激励装置安装在离心转盘上随之运动。
转盘状态监测单元由电涡流位移传感器检测振动位移信号, 由半导体激光管、硅光二极管组成的基准信号测量子单元进行振动相位和转速的检测, 实时监测离心转盘的运行状态。
数据传输单元由信号驱动、放大电路与高速导电滑环等构成。信号驱动、放大电路安装在转盘中心随转盘转动, 提供微结构内敏感元件所需驱动电压, 并对微结构的响应信号进行放大, 多路信号通过高速导电滑环 (Moog公司生产的EC3848-10型) 实现转台与外部静止部件间的传输。
2.1高速离心转台
高速离心转台如图3所示, 为了保证实验安全, 高速离心转盘整体安装在防护罩内。待测微结构安装在激振装置内, 激励装置固定在转盘上随高速转盘做高速旋转, 高速转盘旋转过程中产生的加速度作用在待测微结构上, 微结构受到恒定的高g值加速度作用, 在此加速度环境中完成微结构的动态测试。
采用离心转台产生高g值加速度测试环境时, 电主轴选用洛阳轴承研究所生产的180ED15AK型电主轴, 最高转速为15 000r/min, 测试装置中转盘内微结构安装位置回转半径为0.2m, 由此可获得的最大加速度为a≈50 000g。考虑到转盘动平衡水平、防护等因素, 根据实际测试的需要, 测试过程中转速限定在7500r/min内 (加速度约为12 000g) 。为了保证实验的准确性, 实验前首先对高速转台进行转差率补偿实验。采用该套试验装置, 可以测试微小结构在0～10 000g加速度环境中的动态特性, 研究外部载荷作用对结构动态特性的影响;通过改变被测试件设计, 可研究微小结构在不同的变形状态下的动态特性, 研究结构在线性及大变形非线性条件下的动态特性, 也可以作为大量程加速度传感器灵敏度测试装置。
2.2微结构激励装置
采用压电陶瓷作为底座激励的驱动器, 并综合考虑激励装置在高速转盘上的安装, 及为了降低外界环境干扰而在激励装置内部设计的隔振结构, 所设计的微结构激励装置如图4所示。被测微结构11通过托板10安装在压电陶瓷9上, 压电陶瓷受到阶跃电压作用后产生冲击激励施加于被测微结构11。
1.底板 2.外壳体 3.减振橡胶 4.下质量块5.十字弹簧片 6.定位销 7.上质量块 8.垫筒 9.压电陶瓷10.托板 11.被测试件 12.玻璃片 13.盖板
激励装置中, 十字弹簧片5与上下质量块 (7、4) 组成了一个质量-弹簧系统, 压电陶瓷9安装在上质量块7上, 被测试件11通过托板10安装在压电陶瓷上, 该质量-弹簧系统通过十字弹簧片5的4个隔振弹簧臂与外壳体连接。整个压电陶瓷9、上下质量块 (7、4) 、托板10及被测试件11均被悬置起来, 仅仅通过十字弹簧片5与外部连接, 形成一个二阶质量-弹簧隔振结构以降低外界环境振动干扰。下质量块4与底板1之间加入圆形减振橡胶3保护隔振结构, 同时也起到隔振作用。
在外壳体2内部圆孔内设计有台阶, 隔振结构可以通过十字弹簧片5的4个隔振弹簧臂安放在外壳体内部圆孔台阶上, 并通过垫筒8由盖板13将隔振结构压紧固定。外壳体与底板1、盖板13与玻璃片12将外壳体内部封闭形成密封腔, 避免高速转台高速旋转时形成的强气流对测试的影响。
压电陶瓷选用哈尔滨工业大学博实精密公司生产的PTBS200/8*8/10型压电陶瓷。实验测试结果显示, 采用上述激励装置, 压电陶瓷受到阶跃电压作用能在约15μs内首次达到其最大位移。分析结果显示其输出带宽为200kHz, 激励频带约130kHZ, 足以满足大部分MEMS器件动态测试的激励要求;测试结果显示压电陶瓷瞬时输出冲击加速度可达到约12 000g, 且压电陶瓷输出特性不受外部恒定载荷的影响[3]。
3 实验研究
为了研究MEMS微结构在高g值加速度条件下的动态特性, 本文以梁-质量块结构作为典型的MEMS结构, 采用内置自测试技术, 通过在微结构上集成压阻敏感元件, 测试微结构在高g值加速度条件下的动态响应。采用微机械加工工艺制备的集成压阻敏感元件的梁-质量块微结构如图5、图6所示, 该结构的制备采用了一种湿法和干法结合的体硅MEMS微机械加工工艺, 避免了微结构释放过程中正面电极图形的保护与自停止腐蚀工艺的使用[8,9]。
将图5所示微结构安装于图4所示激励装置内, 激励装置安装在高速转台上, 保证高速转台产生的高g值加速度作用在微结构敏感方向。本文测试了如表1所示的两种尺寸微结构在常态 (加速度为0) 到10 000g加速度环境中的动态特性。
测试过程中, 首先开启高速离心转台, 通过软件设定测试用加速度, 待高速离心转台达到所需加速度后, 保持此加速度并对压电陶瓷施加阶跃电压, 压电陶瓷底座激励装置对微结构试件产生冲击激励, 同时控制计算机采集、存储微结构的响应信号, 完成在此加速度环境下对微结构动态特性的测试。
1号试件在常态下的典型响应曲线如图7所示, 对微结构冲击响应型号进行FFT, 获得该微结构的谐振频率为1.56kHz;截取其自由衰减振动部分信号, 并提取其峰值得到其自由振动衰减曲线, 可求得微结构阻尼比约为0.001 37。1号试件在1000g～7000g不同高g值加速度条件下的动态测试结果如图8～图11所示。多次结果分析曲线如图12所示, 不同测试环境下最大标准误差约为0.003kHz, 测试结果显示, 在外部高g值加速度作用下,
当试件处于较低加速度条件下 (小于1000g) 时, 试件的谐振频率并不随外部环境加速度发生变化, 谐振频率为1.56kHz;当试件工作在较高加速度 (大于1000g) 环境时, 随着外部环境加速度的提高, 微结构的谐振频率随之而增大。有限元分析显示, 当微结构所受加速度超过1500g时, 1号试件中微悬臂梁末端变形量已经达到8%, 产生了较大变形。测试结果显示, 在7000g加速度条件下, 1号试件谐振频率提高了10%;1号试件的阻尼比约为0.01, 其值不随加速度的增大而发生明显改变。
对2号微结构试件进行了从常态到10 000g不同加速度环境下的动态测试, 测试结果显示2号试件的谐振频率基本保持不变, 为28.75kHz;微结构试件阻尼比0.0013, 也不随外部加速度作用发生明显变化。由于在试件设计时, 2号试件在现有10 000g加速度作用下只产生线性小变形, 结合实验结果说明在线性小变形条件下微结构动态特性不随外部加速度作用而发生变化。
上述微结构试件在不同高g值加速度环境下的动态测试结果与理论分析表明, 当微结构处于线性小变形范围内时, 外部载荷对结构的谐振频率等动态参数没有明显影响;当微结构产生大变形时, 微结构的谐振频率会随外部高g值载荷的改变而发生变化, 测试结果与理论分析具有较好的一致性[10]。
4 结束语
本文研究了高g值加速度环境微结构动态测试技术, 建立了高g值加速度环境微中结构动态测试装置。利用高速转台产生的离心加速度实现不同稳态高g值加速度环境;建立了基于压电陶瓷的底座冲击激励装置实现高g值环境下对微结构激励;使用内置自测试技术解决了高g值环境下微结构动态响应信号采集问题。采用微机械加工工艺制作了集成压阻敏感元件的梁-质量块微结构, 测试了微结构在0～10 000g加速度环境下的谐振频率与阻尼比等动态特性。实验结果表明:所建测试装置成功实现了在高g值加速度环境中微结构动态特性测试, 压电陶瓷底座激励装置能实现在不同加速度条件下对微结构的激励;在外部高g值加速度作用下当微结构发生大变形时, 其谐振频率会随着外部加速度增加而得到提高。本文所研制测试装置为研究MEMS微器件在高g值加速度环境中的动态特性提供了很好的基础, 并为在外部载荷作用下微小结构处于大变形状态的动态特性研究提供了基础。
参考文献
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高加速度 篇5
打工仔花半年考上清华
1981年高燃出生在湖南益阳一个普通农家。很小的时候他就觉得自己将来肯定是一个做大事的人。上学以后的高燃成绩名列前茅，但在升高中的当口儿，因为家庭经济困难，父母不得不让他读中专。毕业后只有中专文凭的他在工厂里拿到的薪水微薄。为了能获得更好的发展机会，高燃开始自学ISO9000认证方面的专业知识，不久便跳槽到一家外企当上了工程师，月薪可以拿到5000元。
在外企工作自然会接触到许多大学生，与他们交往后高燃发现自己并不差，尤其是看到家乡那些上了高中的伙伴陆陆续续考入大学，高燃觉得理想开始飘远。在经过一番考虑后，高燃决定辞职回家准备高考。
见到回家准备插班就读参加高考的高燃，父母很是不解，因为5000元的月薪对这个偏僻农村的家庭来说无疑是一笔很大的收入，而且上大学的费用家里也难以承担。但高燃坚持自己的决定，并且决心报考清华或者北大。在旁人眼里，这是一个不可能完成的任务，此时距离高考只剩下半年时间。
高燃被分到全校最差的班，在学校的第一次月考中，他是该班倒数第二，但这丝毫未影响到他。“我觉得我一天高中都没上，就能考倒数第二，说明还有人比我更差，我觉得我还是可以的。”自信的背后高燃付出了巨大的努力，他全身心扑在学习上，上课时专心致志。
一个月后的第二次月考他已经是全班第一，这样的成绩一直保持到学期末。高考如期而至，高燃如愿以偿。他拿到了大学录取通知书，而且是清华大学。这消息在这个十多年都没有出过清华和北大学生的地方引起了轰动。后来有人为他解决了学费，高燃的大学梦想实现了，然而他清楚地知道这只是他众多梦想中的一个，现在才刚刚起步。
一块钱求职当上记者
1998年8月28日，高燃正式成为清华学子。强烈的求知欲使他显得有些不安分，四年里他先后就读于外语系和中文系，最后从新闻与传播学院毕业。
在校期间高燃开始有意识地培养自己的社交能力，他组织了很多讲座，请了很多企业家、政府官员、学者，还有一些国外的大企业家、知名人士来学校做演讲。在邀请这些名流之前，高燃都会进行充分准备，读了非常多的书，也做了非常多的功课，比如说了解他们个人的资料。而他的社会交往能力因此得到了很好的锻炼，那些所认识的人也无形中成为他后来创业的资本，这其中包括后来鼎立支持他的江苏远东集团董事长蒋锡培。
丰富的大学生活使高燃改变了许多。“我发现大学生活对我的改变非常大，让我重新树立了信心。”所以现在一有机会，他就告诉后来者，你们一定要上大学。
2003年7月1日，高燃大学毕业。他怀揣着自己的实习作品，花了一块钱坐公车，径直来到《经济观察报》社，找总编要工作。自信和实力让他得到职位成为一名记者。凭着对新闻的独特理解与自己的勤奋，他获得当年报社的最佳新记者奖。在报社工作8个月后，不安分的心又开始躁动了，“我不希望我的人生一眼就看到头。”高燃开始寻找新的目标。
两年获得千万投资
2004年的中国IT行业，电子商务风起云涌。当了一段时间经济记者的高燃已对IT行业有所了解，也想在电子商务里发展，便做了一个商业计划。随后高燃找到结交已久的远东集团总裁蒋锡培——一个成功的企业家。2004年6月，高燃去江苏参加远东集团的董事会。在会上他阐释了自己的计划，但是这个项目风险太大，招致大多数董事和监事的反对。高燃的真诚与执著却打动了蒋锡培，他最终答应个人出资100万，并拍着高燃的肩膀说：“这个项目有非常大的风险，但你这个人没有风险。”
2004年7月，23岁的高燃成立了电子商务公司。董事会的判断没有错，他的电子商务计划没有成功，公司的境况举步维艰。恰巧此时，高燃遇到了邓迪，当年的清华同学。邓迪也创立了一个公司，同样是运营不佳。他们一个人有资源，一个人有技术，两人一合计，决定合并公司。2005年2月，高维视讯(mysee．com)科技有限公司成立。通过直播连、宋2005年大陆行演讲和神舟6号上天，高维视讯浮出水面，进入公众视野。在2005年12月，仅仅成立10个月的高维视讯就获得中国互联网协会颁发的“互联网产业创新第二名”“中国互联网产业100强”称号，在2006年上半年又被中国互联网协会以及国内外众多风险投资机构联合评为“最具投资价值企业”。
可就在事业蒸蒸日上的2006年10月，高燃退出高维视讯董事会。对此高燃解释说：“之所以离开MySee，是自己已经对这个行业没有兴趣了。”
果然，2007年新春伊始，高燃创立海川传媒的消息传来，海川传媒融资达1000万元。有人在网上这样评论高燃：“这个让人炫目的年轻人，已经把自己对速度的追求带入了下一单元。我不知道这算是屡败屡战的坚持，还是‘80后’率性自我的体现，但我看到，高燃在享受这种速度的晕眩感，享受这种创业的刺激。”
而对他的速度人生，高燃则说：我知道，故事还远远没到结束的时候一一人生的故事。我深信，一个激动人心的人生故事会继续上演。
（摘自《蓝铃·打工妹》）
电子产品高加速寿命试验方法 篇6
高加速寿命试验 (HALT:Highly Accelerated Life Test) 技术是目前国际上比较流行的可靠性试验技术, 它的优点是根据被测产品的自身特点及产品的使用环境, 由研发人员设定出适合该产品的试验参数, 从而提高了试验效率。HALT试验尤其适用于使用PCB板的电子产品。
1 试验目的及工作原理
1.1 试验目的
传统的可靠性试验及环境适应性试验并不能确定产品工作极限条件, 而HALT试验通过不断修改试验参数, 由记录表来确定产品的操作极限和破坏极限。试验中不断增加的应力远大于正常使用条件的环境应力, 使得产品的缺陷可以在较短的时间内暴露, 节约了试验时间。由于电子产品基本符合浴盆曲线原理。在产品的早期将故障暴露后, 设计人员可以分析故障产生的原因, 这对元器件的选型及原理设计都具有指导意义。
1.2 工作原理
HALT试验一般分为低温步进试验、高温步进试验、快速热循环试验、振动步进试验、温度与振动综合试验。需要注意的是, 快速热循环试验和温度与振动综合试验的条件确定需要低温步进试验、高温步进试验和振动试验的相关数据作为边界条件。
2 试验方法
2.1 低温步进试验
电子产品进行HALT试验时, 样品通常处于通电状态, 如有需要可以通过其他设备监控样品的工作状态。一般情况下设定起始温度为20℃, 每阶段降温10℃ (-30℃以后步进步长改变为5℃) , 每个阶段保持一段时间, 通常为10 min, 温度稳定后做一次功能测试, 以此类推直到样品发生功能故障, 继续降低温度, 直到产品失效并不可恢复, 由此来确定低温操作极限和破坏极限, 如图1。
2.2 高温步进试验
试验时样品处于通电状态, 设定起始温度为20℃, 每阶段升温10℃ (120℃以后步进步长改变为5℃) , 每个阶段维持10 min, 温度稳定后做一次功能测试, 以此类推直到样品发生功能故障, 继续增加温度, 直到产品失效并不可恢复, 由此来确定高温操作极限和破坏极限, 如图2。
2.3 快速热循环试验
在先前的试验中可以得到低温及高温的极限数据值, 将这两个极限值作为热循环的上下极限值, 并以1℃/s的温度变化率在此区间内进行若干个循环。在每个循环的高温极限和低温极限都要保持一段时间, 通常选择10 min, 温度稳定观察测试产品功能, 直到样品发生故障, 由此来确定操作极限和破坏极限, 如图3。
2.4 振动步进试验
将试验的加速度初始值设定为5g, 然后每阶段增加5g, 在每个阶段维持10 min并做功能检测, 直到样品发生功能故障, 继续增加加速度值, 直到产品不可恢复, 以此来确定样品的振动操作界限, 如图4。本试验对振动台架及产品夹具的要求较高, 试验中应注意夹具的状态。
2.5 温度与振动综合试验
HALT试验将温变与振动同时施加于被测样品上, 相比于传统的老化试验, 老化的效果更明显。温度变化的上下极限与温度变化的速率与快速热循环试验相同。一般选取振动的初始值为5g, 每个循环加速度增加5g。每个阶段的高低温极限值保持10 min, 待温度稳定后观察样品的功能。如此重复进行, 直至达到操作极限及破换极限为止, 如图5。
3 结论
HALT试验不仅能确定产品的极限应力, 而且能够快速地找出设计缺陷并改进, 大大缩短了试验时间和研制周期, 非常适合电子产品的研发。由于HALT试验不同于传统的环境试验, 没有规定的试验标准, 因此它具有一定的开放性, 设计人员可以根据产品的实际情况对试验条件进行修改, 相信HALT试验在电子产品的开发上会发挥越来越重要的作用。
摘要：高加速寿命试验是产品设计研发初期发现新产品应力缺陷的有效而快速的试验方法, 通过它可以快速发现产品潜在的缺陷, 以便于提升产品的耐环境适应能力, 并极大缩短了产品的研发周期。文中简要介绍了高加速寿命试验的基本原理和一般流程, 探讨了高加速寿命试验在不同应力条件下的试验方法。
关键词：高加速寿命试验,低温,高温,热循环,振动
参考文献
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高加速度 篇7
关键词：高加速度承载,有限元方法,动态特性,临界转速,谐响应分析
0 引言
固体高加速度承载应用需求随着航空、航天、生物、军事等领域的发展而快速提升,部分小型飞行器使用过程中加速度值已经超过10万g(重力加速度,以下简称g)以上,利用高速旋转产生向心加速度进行加速度承载实验是目前具备较强应用前景的新型实验方法,目前采用柔轴传动的高加速度离心机,受到扭转力矩以及应力疲劳的影响,系统驱动能力不足,不适合对大惯量的固体部件进行实验,需要采用基于“刚性”特征的高速旋转传动系统,即高加速度承载实验装置在传动系统的低阶临界转速下运行,采用此种设计模式的实验装置需要具备良好的动力学响应特性,因此对该类设备的动态特性分析就显得尤为重要[1,2]。
本文所涉及的一种适用于大惯量固体的高加速度承载实验装置主要由驱动系统、传动系统、转子托盘系统、支撑系统(包括上箱体、下箱体)等构成,详细结构可以参照相关参考文献[3,4]。由于系统的整体动态特性需要各个组成部件之间的合理性能匹配获得,实验机系统采用高强度支撑、多点阻尼配置的设计策略,以实现刚性传动的设计理念。
本文重点是采用有限元方法进行系统的动态特性分析,为适用于大转动惯量固体的高加速度承载实验装置设计提供参考。
1 动力学计算模型建模方法研究
对于复杂的多体非线性动力学问题,采用常规方法无法获得解析解,需使用有限元方法解算,而有限元方法计算结果的可信度很大程度上取决于有限元模型的合理性。由于计算平台的限制,有限元模型的复杂程度受到一定的限制,因此应在允许的计算精度范围内进行合理简化和抽象,以提高计算精度。
1.1 动力学建模简化原则分析
为分析简便,大部分动力学模型将转子直接简化为集中质量,忽略转子自身的几何尺寸、形状影响,这种处理方式获取的动力学模型结构简单、求解方便,但是不能真实地反映转子的实际工作情况。实际的转子是一个质量、刚度、阻尼等连续分布的弹性体系统,不能简单地理解为有限个自由度的问题,因此为全面地分析旋转实验机的动态特性,就必须建立可以反映真实工作情况的动力学计算模型。旋转实验机各部件存在复杂的配合关系,其动态特性分析属于典型的多体、非线性、耦合动力学问题,为了突出重点,应着重考虑到影响动态特性的几个重要因素,而忽略一些次要因素,建立适当的简化原则,其主要内容如下:
1) 理想弹性体简化原则: 工作状态下振动幅值有限,应力在弹性范围以内。
2) 弹性支撑轴对称简化原则: 忽略轴承等部件的制造误差等对于动态特性的影响。
3) 工作条件简化原则: 忽略温度升高引起的热变形等影响因素。
4) 小部件集成简化原则: 为突出主要影响因素,在建模过程中忽略一些影响较小的部件。
5) 边界条件简化原则: 边界条件是决定有限元模型与实际物理模型差异大小的主要影响因素,是整体静刚度和动刚度的重要组成部分,也是其阻尼的主要来源,但接合面的分析存在很多问题,主要表现为其刚度和阻尼特性与接合面的受力状态有关,动态特性不稳定,与响应的幅值、频率值都是非线性对应关系,应该尽量应用弹簧单元、阻尼单元、耦合或约束方程模拟实际情况,并结合实验进行测试。由于轴承实际轴向支撑尺寸比较大,如只选择轴向一点形成动接触,就会削弱轴承轴向的支撑刚度,降低轴系的固有频率。建模时选取轴承的两侧以及中间位置作为轴向3个支撑点,每一个轴向支撑点利用轴对称的4组弹簧和阻尼器组合部件构成轴对称支撑等效模型。有些配合面在交变应力的作用下发生动态微观变形,如果表面达不到绝对的光滑,这种运动产生的阻尼效应要比宏观移动大得多,比如上、下箱体的橡胶接合面。同时应考虑结合面法向和切向两个方向的刚度以及阻尼作用,建模时利用弹簧和阻尼器组合模拟实际工作环境,以准确地表达接触面动态特性。上述所述原则中的各种力学参数可以通过实验测得具体数值。
1.2 整机动力学计算模型构建分析
根据确定建模原则,将旋转实验机的实际物理模型转化为三维实体模型,如图1所示。
图1所示的动力学模型中单元1、4代表轴承径向支撑,而单元2、5代表阻尼合金座径向支撑,共同构成轴向多点组合约束。电主轴径向支撑简化为单元11、12。轴承具有很高的轴向刚度,可以限制传动系统的轴向振动,单元9来表示传动轴系轴承轴向动力学特征,单元10表示电主轴轴承的轴向动力学特征。单元3、6代表工作腔体与上箱体橡胶接合面的切向动力学特性,而单元7、8代表接合面法向动力学特性。上、下箱体之间的橡胶接合面具有法向和切向的刚度以及阻尼,其动力学特征由动力学模型单元13和14表示。采用ANSYS软件进行实体建模,可采用COMBIN14单元代替动力学模型单元。由于实验机整机几何形状比较复杂,因此采用了智能网格划分,划分的整机有限元模型单元数为459808。
2 系统临界转速计算分析
2.1 系统临界转速影响因素分析
广义的临界转速是引起机械工作状态急剧恶化、生产效率和工作质量急剧下降的某些特定转速。如果机器在临界转速下运动将会引起机械剧烈振动而急剧磨损,并引起支撑定位部件发生摇摆,因此一般的机械设备都无法在临界转速下工作,需要采取必要的措施。根据实验级使用要求提出的刚性传动设计原则,系统采用刚性轴、大驱动力设计思想,具体措施如下:
1) 提高转子轴径,同时应减小轴向支撑点之间的跨度,提高支撑刚度,并应提升支撑用外箱体的刚度,进而提升系统整体支撑刚度。
2) 安全连轴器采用钢性轴设计,保证高速传动系统的稳定性和驱动能力。
3) 添加适当的阻尼元件以衰减振动能量。
利用建立的有限元模型可以分析传动轴系支撑刚度等主要因素与固有频率之间的对应关系,从计算结果得出,在传动轴系支撑刚度值比较高的情况下单纯地提高传动系统的支撑刚度并不能大幅提升临界转速,因此在支撑刚度值达到一定程度后不宜通过提高传动轴系刚度值的方法来提高传动系统的临界转速,而应考虑合理地进行系统的刚度配置;同时在支撑刚性值不变的情况下,如果提高支撑轴系支撑位置的阻尼系数可以使系统临界转速值略有上升,但是影响不大。
2.2 临界转速计算分析
基于建立的三维实体动力学模型,并根据实际项目选定的具体参数,获得实验机系统临界转速计算结果如表1所示。
1-2阶临界转速下的实验机系统振型如图2所示:
第一阶临界转速振型为实验托盘的扭转振动,相对传动系统其余部件其径向几何尺寸比较大,但是由于实验机的变速过程比较平稳,且轴承具有一定的周向阻尼,可起到减振作用,从后续的测试结果得出,系统通过第一阶临界转速时振动幅值变化不大。
第二阶临界转速振型为传动系统的整体弯曲振动,传动系统上各部件存在耦合作用,实验托盘转子轴以及安全连轴器轴都产生了弯曲振动,由于惯性离心力载荷作用,此临界转速对正常工作影响最大。
第三阶临界转速振型为箱体的扭转振型,此计算结果与独立箱体零件的计算结果不同,这主要是因为装配后形成了新的质量分布和支撑条件,导致了其抗扭刚度变化,由于箱体上下扭转角度不同,会影响传动系统的周向定位关系。
第四阶临界转速振型为箱体内部实验托盘下端支撑位置的轴向振动,会引起下端支撑部件的轴向变形,影响轴承的定位精度。
第五阶临界转速振型为箱体的弯曲振动,主要是由于偏心力作用,引起箱体径向振动。
第六阶临界转速振型为安全连轴器的弯曲振动,主要是由于安全连轴器的抗弯刚度不足造成的,此振型主要影响安全连轴器的定位精度以及两端配合面的接触应力。
通过分析可知在设定的条件下实验机系统具有较大影响作用的第二阶临界转速为56520r/min,与预定工作转速相差20%以上,符合预期的设计使用要求。
3 实验机系统的谐响应分析
机械结构动态响应分析是结构在动载荷作用下的响应计算,也就是确定结构在动载荷作用下的位移、动反力等参数。动力响应分析包括谐响应分析和瞬态动力响应分析两部分。其中谐响应分析可以获得系统在给定频率范围内受到简谐载荷即偏心载荷作用下动态响应情况,特别是在各阶临界转速下的应力以及位移等变化情况,对于旋转类设备进行谐响应分析是其设计的重要步骤。
实验机系统采用刚性传动设计,系统的简谐载荷来源主要是偏心力,并会随着转速的提升而增大。为了提高系统的稳定性,获得良好的谐响应特性,应首先降低简谐载荷即偏心载荷作用值,同时提升系统的动刚度,并选择合理的测试位置进行系统监控。按照目前的国家标准,此系统应该在动平衡达到G0.4级精度的条件下使用,此时偏心载荷数值为15N。对于系统动态特性的监控点的选择应具有一定的代表性,根据系统的组成机构选择实验托盘径向边缘位置、上箱体上端边缘位置以及下箱体上端边缘位置作为参考点。在此偏心载荷作用下实验托盘径向边缘位置的位移响应如图3所示。
从计算结果得出实验托盘径向边缘位置的径向、周向以及轴向的第一阶临界转速下的谐响应位移值很小,第二阶临界转速下的径向位移谐响应最大值接近0.02μm,轴向谐响应值只有径向的一半;周向的谐响应值量级小于10-8,可以忽略不计。上箱体上端边缘位置的谐响应与实验托盘边缘位置的谐响应形式基本类似,径向谐响应位移值在第二阶临界转速下极值不超过0.015μm,其轴向以及周向位移响应值量级只有10-10,可忽略其影响。下箱体上端边缘的谐响应计算结果值远小于上箱体上端边缘位置,基本上可以认为下箱体是刚体,可以起到很好的支撑作用。
从计算结果得出对系统谐响应影响比较大的是传动系统的弯曲振型,第一阶实验托盘扭转振型影响并不大,在G0.4级动平衡精度下,即使在临界转速下运行系统仍然稳定,这主要是由于系统具有很高的整体刚度值,并且添加了适当的阻尼装置,使系统具有较好的动态性能。
4 整机瞬态动力响应分析
谐响应分析只计算稳态受迫振动,发生在激励开始阶段的瞬态振动不在谐响应分析中考虑,还需进行瞬态动力响应分析,瞬态动力响应分析用于确定承受任意随时间变化载荷时的动态响应。实验机在启动过程及调试过称中会受到瞬态载荷作用,主要体现为偏心引起的径向载荷作用以及启动条件下加速度载荷作用,经过动平衡量实际测试,传动系统的初始动平衡量一般可以达到G0.4级精度的10倍以上,因此可以设定偏心力载荷为150N,是系统的主要影响因素,设定其作用时间为0.004秒。在此载荷作用下实验托盘径向边缘位置的瞬态动力响应如图4所示。
从计算结果得出在受到冲击载荷作用后径向振动幅值很小,在振动载荷停止作用后,下降到不足30nm,经过8个振动周期后振幅逐渐趋近于零。这主要是因为系统的刚度值比较高,可以有效地限制振幅,系统中加入了较多的阻尼减振装置,可以使振动能量迅速衰减。系统的周向位移响应和轴向位移响应的总体形式与径向类似,但是其幅值量级很小,影响可以忽略,但需注意振幅衰减的速度明显低于径向,主要是这两个方向的减振能力相对不足造成的。
作为支撑部分的上箱体上端边缘位置的瞬态动力响应幅值很小,但幅值衰减很慢,这主要是由于上箱体振动能量主要依靠铸铁材料的内部材料阻尼以及和下箱体连接位置的结构阻尼衰减,振动维持时间比较长。下箱体上端边缘位置的瞬态位移响应曲线总体趋势与上箱体类似,只是位移响应幅值近一步下降,轴向最大位移响应值不超过1nm,基本上可以认为是刚体,下箱体的振动能量主要靠自身的材料阻尼来衰减,因此振动幅值衰减的速度很慢。
传动系统在受到冲击载荷作用后依靠自身的阻尼能够有效地衰减振动能量,因此动反力也随之下降,图5为选定检测位置的应力瞬态响应曲线。从计算结果可以看出应力值下降很快,反映了使用阻尼橡胶和阻尼合金后,振动衰减很快,而箱体位置的作用应力值下降较慢,特别是下箱体,但应力值不超过1MPa,可以忽略其影响。
综上所述,由于旋转实验机具有较高的整机刚度值,并且加入了适当的阻尼减振装置,可以有效地衰减振动能量,因此具有较为理想的瞬态动力学响应特性。
5 结束语
本文对一种适用于大转动惯量固体进行了动力学建模方法研究,建立了有限元计算模型,针对刚性传动的需求特性进行了整机动态特性分析计算,通过上述计算分析可以得知,采用基于“高刚度”特征的系统设计方法可以有效地提升系统整体的动态特性,通过合理地设置系统的设计参数可以满足大转动惯量固体的高加速度承载实验要求,突破目前柔性传动对动力的限制。提升旋转实验机的整机动态特性需从多个方面入手,不能单纯地只考虑传动轴系,应实现系统刚度的合理匹配,才能更好地提升整机动态特性。基于刚性传动设计的旋转实验机的第二阶临界转速影响最大,而第一阶临界转速影响有限,系统可以比较平稳地通过第一阶临界转速而稳定工作。从谐响应分析和瞬态响应分析计算结果得出,如果能够合理地控制不平衡量等外部环境影响因素,系统将具备良好的谐响应特性和冲击响应特性,但是应注意系统轴向和周向的振动衰减速度明显低于径向,在设计时应采取必要的措施。本文获得的结论可以为同类装置的设计提供有益的参考,具有一定的普遍适用性。
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高加速度 篇8
高量程加速度计是搭载在导弹武器系统上的数据采集和记录设备,能实时对瞬态、随机、复杂的导弹动态参数进行可靠记录,为导弹系统的设计改进提供技术依据,是武器型号研制阶段主要的测试手段之一[1]。测试电路作为高量程加速度计的核心部件,在弹体冲击过程中主要对速变信号进行动态实时记录,因此研究其在冲击环境下的失效模式,对高量程加速度计记录导弹动态参数、考证记录数据完整性具有重要的意义和应用价值。
目前,国内外研究电路板失效主要集中电路板在冲击作用下的结构响应,而忽略了焊锡接点在冲击作用下的失效。本文所述的研究内容就是在上述应用背景下,对测试电路板进行了失效机理研究;在此基础上,通过运用ANSYS/LS-DYNA对其进行了模拟仿真,并进行了试验验证。试验结果表明,测试电路在高冲击环境下的主要失效模式为焊点脱落、芯片的断裂。
1 测试电路板的失效机理分析
在受到外界环境冲击作用时,电路板和电子元器件会发生上下弯曲,由于二者具有不同的挠曲,会造成电路板组件跌落现象,这是造成测试电路受到冲击后失效的根本原因。一般情况下,元器件相对电路板而言可近似为刚体考虑,电路板组件在跌落作用下会使电路板产生挠曲,而这些往复弯曲会使板级连接的焊点受到反复的拉压应力,最终导致焊点连接失效[2]。在研究测试电路在冲击下的结构响应时,主要研究在冲击作用下焊锡节点的冲击应力响应。
将电路板和器件看成是长窄的矩形板。将焊锡接点看作是一层连续弹性连接,假设
a.这一层连接只传递轴力;
b.焊锡接点的个数足够多,即可以近似认为是一层连续弹性连接;
c.变形很小,是一个线弹性问题;
d.焊锡接点的应力不会超过其需用应力。
通过分析,给出电路板受纯弯曲时,连接电路板和器件的焊锡节点的轴向受力的解析解。
模型结构如图1所示。则长窄板受弯曲作用的方程为[3]:
式(2)中ω1(x)和ω2(x)分别为电路板和器件的挠度函数,D1和D2分别为电路板和器件的弯曲刚度。单位长度焊锡接点的受力为:
式(3)中k为弹簧常数,即为焊锡接点的拉压刚度。则由公式(2),式(3)可得焊锡接受力方程:
式(4)中
式(5)中:
V0(ax)=coshaxcosax;
V2(ax)=sinhaxsinax;
经上述计算可得,最大应力发生在最外侧焊锡接点上,解析应力值为45 MPa。
以上通过数值分析的方法分别分析了在冲击作用下电路板与焊锡接点的结构响应及受力关系,通过数学分析为电路板内部的损伤机理提供理论参考,具体的受力分析通过ANSYS/LS-DYNA完成。
2 测试电路在ANSYS/LS-DYNA中的仿真
研究考虑轴向冲击下,电路板中芯片的受力情况,建立的有限元模型如图2所示,建模利用cm-g-μs尺寸,模型尺寸参数如表1和表2所示:
使用的模型考虑了电路板、焊锡节点、芯片等细节。在建立过程中只考虑FLASH这种外形较大的芯片,外形较小型的电压转化芯片等不予考虑。在器件侧采用SMD(solder mask design)结构,且在电路板侧为NSMD(non-solder mask design)结构[4]。
通过图3可以看到应力波在电路板内部的传播,在端面反射等应力波传播现象。
对电路板一端施加应力PB。同时使电路板另一端固定。可以分析电路板的受力变形情况。沿着芯片边缘,取有限单元点H155,H157,H160(图2)三个单元,通过研究应力波作用下芯片的Z轴变形,可以通过ANSYS得出芯片的变形位移值,由图4可得,前两个单元的变形为正向变形,而后面一个单元为负向变形,由此判断,在H155单元与H160单元之间的剪切应力最大容易发生断裂。
另外从PCB板边缘到PCB板内部依次选取三个焊锡点,其中A为边缘处焊锡点,B、C位置依次向内,仿真结果如图5所示,可以得出A点应力值为43 MPa,B、C处应力值很小,仿真结果与理论值相似。
3 马谢特锤冲击试验
马谢特锤是靠重力加速度对活动的冲击锤进行加速,最后击打在铁质硬目标上,从而产生较大冲击的加速度过载。预置不同的齿数可产生2 000—100 000 g。试验装置如图6所示[5]。将高量程加速度计测试电路安装在锤头上,预置不同的齿数进行冲击试验。
为测试电路板的抗冲击能力,对测试电路板依次设置5—20齿的冲击测试,冲击结果如图7所示。冲击为19 750 g时PCB板边缘处的焊锡接点脱落,而PCB板内部的焊锡接点无明显变化。继续对电路板进行冲击测试,在冲击达到22 000 g 时芯片发现碎裂。
4 高量程加速度计测试电路板的可靠性评估
高量程加速度计测试电路板的可靠性,采用应力—强度随机变量模型,这个是静态模型,忽略了时间因素,认为应力和强度不随时间变化,这是一种理想化的情况,但对于具有瞬态性质的冲击载荷是非常适用的。
利用应力强度干涉理论
式(6)中:
μz=μT-μS;σZ=(σ2S+σ2T)1/2 (7)
由
令
令:
其中:
得到可靠度的表达式:
采用高斯型数值积分,求得可靠度的数值计算公式:
从式(13)可以看出主要高量程加速度计测试电路板在冲击载荷下的可靠度与结构尺寸的误差,外加载荷冲击的加速度a以及材料的强度有关。
通过将实验结果与以上所分析可靠度模型,不同冲击强度下的可靠度曲线与失效概率曲线如图8(a)、(b)所示。
5 结论
本文通过理论分析了高量程加速度测试电路板在冲击作用下的结构响应,采用ANSYS/LS-DYNA模拟电路板在冲击环境中可能出现的失效模式,并通过试验验证,对测试电路板的可靠性进行评估,得出以下结论:
1)数值分析得出的电路板的挠度与焊锡点的受力与模拟结果相似;
2)通过试验发现只有电路板边缘处的焊锡接点脱落,而内部焊点几乎没变化,说明边缘处焊锡接点承受较大应力,内部焊点几乎不受力;
3)从实验数据与理论模型的对比图上发现理论模型与实验结果总体趋势是一致的,但是实际的可靠度与理论模型有很大的差异,主要原因有:a:在应力的计算过程中有比较多的近似,一定程度上影响了模型的精确性;b:实验过程中冲击并不是无损耗地加载到高量程加速度计测试电路板上的,而是通过夹具,封装外壳等传递到结构上的。
参考文献
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[2]安彤.跌落冲击载荷作用下焊锡接点的力学行为研究.北京:北京工业大学,2009
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[5]祁晓瑾.MEMS高g值加速度传感器研究.太原:中北大学,2007
高加速度 篇9
当波导模式为圆对称模TM0n或TE0n模时, 为了获得高方向性的天线发射, 必须通过波导模式变换器将其变换为波导TE11或HE11模, 或通过准光模式变换器变为自由空间的定向光束[1]。Vlasov辐射器是由俄罗斯科学家Vlasov于1975年首先提出的。当时的应用背景是:将回旋管输出端的圆对称高次模TM/TE0n模 (n≥1) 或Whis⁃pering Gallery模 (TM/TE0n模, m≥1) 转换到TE11模, 以实现定向线极化辐射[2⁃4]。
随着计算机硬件和软件技术的不断发展进步, 物理理论预测现实的精确度越来越高, 数值方法在分析现实问题中起到越来越重要的地位。近年来不少学者用数值方法计算Vlasov辐射器的特性[1,2,5,6,7], 为准光模式变换器的设计提供依据[1, 5⁃6]。用Kirchhoff口面积分和物理光学法对圆波导劈形端口或斜切形端口辐射器的辐射场进行求解。文献[2]用矩量法和时域有限差分方法对Vlasov天线进行了系统研究。文献[7]利用矩量法导出Vlasov辐射器端口处各种模式振幅的计算方法, 并利用此方法通过数值计算研究了斜切形Vlasov辐射器的反射特性。
本文将Vlasov辐射器端口场分布的求解看做散射问题, 运用Kirchhoff积分公式和矩量法对散射场进行数值求解, 并与商业软件FEKO结果进行比较。另外本文利用轴对称原理和Lagrange插值加速了圆对称高次模激励的求解。
1 求解原理
将辐射器的求解看做散射问题[1]:
其中:
式中:S′为Vlasov辐射器底面;为垂直于底面的单位向量;为底面上的坐标;为激励处的磁场, 为激励处的电场。
式中:在辐射器内表面处, 为辐射器内表面的面电流为单位并矢。
由PEC边界条件, Vlasov辐射器表面满足方程 (EFIE) :
在式 (4) 中可由式 (3) 求得, 可由式 (2) 求得, 未知量只有, 用矩量法求得, 然后用式 (3) 可以求得散射场, 代入式 (1) 可以求得总场。
2 对特殊激励的改进
用矩量法计算Vlasov辐射器激励的时间复杂度为O (M×N) , 其中M为面积分的积分点的数目, N为RWG基函数的数目。由表1可以看出当模式为TM04时M为13 785, 且模式越高M越大, 计算激励的时间越复杂, 传统的矩量法已无法计算高阶模式的激励, 即使商业软件FEKO也很难或无法计算高阶模式的激励, 所以需要对输出端口为圆对称高次模时的激励进行改进, 以便可以计算圆对称高次模的近场分布, 而在后面的算例中也验证了此方法的正确性。
当Vlasov辐射器激励为圆对称高次模时, 用柱坐标表示的与ϕ无关, 对于式 (4) 中的ρ=a, 激励的大小只与z有关, 只需要求不同z值处的激励, 对z轴离散求得若干z处的Ei值, 然后用Lagrange差值方法求得任意点处的激励值, 使求解激励的时间复杂度由O (M×N) 减少为O (N) , 使用矩量法求解高次模Vlasov辐射器的近场成为可能。
根据上述理论, 编制了数值分析程序, 见表1。结果表明, 利用金属圆柱波导的对称性可以大大提高求解激励的效率, 当波导模式为TM09时加速比可以达到2 392。
另外还对改进前后的数据进行对比, 两者完全吻合, 证明在不影响精度或者改变很少的情况下可以大大提高求解激励的效率。
3 算法算例
为了验证上节算法的正确性, 以有限长圆波导和阶梯形Vlasov辐射器为例, 分别计算其近场, 并与商业软件FEKO进行比较。
有限长圆波导, 如图1所示, 底面半径为4 mm, 高为20 mm, 波导模式TM02, 频率为90 GHz, 求得其中心线 (z为0.1~30 mm) 上的电场 (单位:V/m) 并与FEKO比较如图2所示, 结果吻合。图3为有限长圆波导内场分布。
阶梯形Vlasov辐射器如图4所示, 半径为4 mm, 底面高为1 mm, 阶梯切口高为2.6 mm, 波导模式TM03, 频率为120 GHz, 求得区域y从-5~20 mm (x=0, z=10 mm) 的电场 (单位:V/m) 并与FEKO比较如图5所示, 结果吻合。
为了观察改进后对精度的影响, 对改进前后的数据进行了对比, 结果如图6所示。
图6 (a) 中波导模式TM05频率为178 GHz, 图6 (b) 中波导模式TM06频率为215 GHz。
4 结语
本文运用Kirchhoff面积分公式和矩量法对Vlasov辐射器端口场分布进行求解, 并对圆对称模式求解激励过程进行改进。计算表明, 利用Vlasov辐射器圆对称模的对称特性可以大大提高计算激励效率, 在TM04和TM09模式下利用模式对称对激励的求解效率可以分别提高1 227倍和2 392倍。
摘要：在保持精度的前提下改进了矩量法计算Vlasov辐射器近场分布的计算效率。将EFIE应用于Vlasov辐射器近场计算, 并用快速多极子法对其加速。当波导模式为圆对称高次模时, Lagrange插值可以用于提高入射场的计算效率, 与原始的计算方法比较, 此方法精度基本不变, 但计算激励时间的效率大大提高了。
关键词：矩量法,EFIE (电场积分方程) ,Vlasov辐射器,近场分布,圆对称高次模
参考文献
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高加速度 篇10
4G牌照背后的博弈
早在2G时代，中国移动因其信号覆盖优势而主宰通讯市场，中国联通远远无法与其抗衡。故而在2009年1月工信部正式发放3G牌照时，出于自主3G技术产业化以及运营商势力平衡的目的，向中国移动发放了自主的TD-SCDMA牌照，而中国联通则获得了更为成熟的WCDMA牌照。而长于固网宽带的中国电信则在接手中国联通的CDMA网络后再次获得了CDMA2000牌照。
由于中国移动为TD-SCDMA技术在全球唯一的商用网络，而WCDMA以及CDMA2000技术在全球已多有成熟建网案例，使得中国移动面临技术和供应链的双重挑战。中国联通和中国电信先后藉由彼时当红的iPhone合约机从中国移动吸引了大量高ARPU用户。在3G商战初期，中国移动面临严峻的挑战，并决定致力于TD-LTE布局以寻求突破。
中国移动一方面自2012年底积极3G合约，透过极低价格的千元智能机合约大力提升自身的3G用户群体，故而带动其月度新增3G用户数量，自2012年12月起迅速崛起并拉大与其他运营商新增3G用户规模的差距。另一方面，中国移动致力于TD-LTE布局，其主导的LEDTDD技术在全球已有约25个投入或计划投入的商用网络。
而2013年底工信部发放TD-LTE牌照之举则暗示了4G时代的调整方向。虽然LTE-FDD为WCDMA的天然演进路线，而CDMA2000在全球已有与LTE-FDD组网案例，工信部依然向三家运营商统一发放TD-LTE牌照，且未给出LTE-FDD牌照的发放时限。一方面实为支持TD-LTE产业发展，另外一方面对中国移动则是一种补偿，使得其可在4G时代获得先发优势，快速布局TD-LTE网络。
4G智能手机的加速普及
除了积极规划4G基站建设，中国移动亦将大力推广4G智能手机换机需求。中国移动董事长奚国华在12月18日召开的“2013中国移动全球合作伙伴大会”上曾表示2014年总体终端销量将达到1.9亿至2.2亿部，其中TD-LTE终端销量将超过1亿台。一般而言，由于建网初期资本支出较大，运营商多以明星合约机型绑定较高资费套餐，回收更多成本，并在后期逐步推广中低阶机型进行普及。然而中国移动在3G网络并不占据优势，因此在4G初期时期便提出明星机型与普及机型并重的策略，强化抢跑优势。
虽然移动合约机已有三星GalaxyS4、HTC One等明星机型支撑，但与iPhone屡屡失之交臂依旧是移动合约机型的遗憾。目前移动网络用户中存有大量用户使用非合约制的iPhone机型，但因TD-SCDMA制式问题而无法享受3G网络。而随着LTE-TDD标准的全球商用化，使得移动版本的iPhone产品最终具备了理论可行性。2013年12月23日中国移动与苹果公司宣布达成协议，从2013年12月25日开始，通过中国移动官方网站和10086客服热线面向用户进行预订，并将于2014年1月17日分别在中国内地的移动营业厅和苹果零售店正式发售iPhone 5s和iPhone 5c产品。协议的达成对双方皆有好处，中国移动在4G时代终于将iPhone产品纳入明星合约机型，并稳固自身高ARPU用户群体，而中国移动的庞大用户群体也将有助于苹果在中国市场的销售表现。虽然目前已远非iPhone 5S以及iPhone 5C销售的最佳时机，但短期内依旧有机会达成规模可观的销量。
除此之外，中国移动亦在2013年十二月将五模十频的强制要求下调为三模产品，此举一方面可改善TD-LTE产业链供给隐患，另一方面则可有效降低BOM成本，推动千元4G智能手机的发展步伐。依据酷派公布信息，其2014年千元以上智能手机全部支持4G网络，并且在二季度时4G产品将可覆盖自799元至2000元以上的全部产品区间。
事实上，由于智能手机硬件规格的严重同质化以及电子商务的日新月异，智能手机市场的价格竞争已经越发激烈。近期荣耀3与红米之争，姑且不论所谓饥饿营销的争议，其已将一线品牌四核、4.7寸720HD（1280×720）标配产品的价格正式下探至799元以下的价格区间。而在中国移动今年度补贴正式出台之后，将有机会进一步加速高配低价的产品规模，激活中低阶产品市场需求，推动中国移动达成全年1亿台4G智能手机出货目标，并带动智能手机显示屏幕向更大尺寸演进，但同时降价的压力将传导至整个产业链环节。