面向Micro-PNT系统的微陀螺敏感结构参数化有限元仿真研究

刘 飞，郭中洋

(北京自动化控制设备研究所，北京 100074)

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Micro-PNT是一种基于微惯性、时钟等的新型定位导航授时技术，具有全自主、微小型化等特征，有望在无卫星信号或卫星拒止条件下持续提供高精度PNT服务[1]。

微陀螺是Micro-PNT系统的核心器件之一，考虑到精度、体积、质量、功耗等方面的约束，当前国际上主流的可用于Micro-PNT系统的微陀螺主要包括多环微陀螺、微半球陀螺、微光子晶体陀螺以及微小型核磁共振陀螺等技术路线[2]，其中多环微陀螺和微半球陀螺融合了传统高精度机电陀螺和现代微纳制造工艺的关键技术要素，兼具高精度和小型化等优势，是最有可能率先取得突破和实现应用的方向，也是当前微惯性器件技术领域的研究热点。

多环微陀螺和微半球陀螺均通过敏感结构实现对外部角速度输入的感测，敏感结构的几何尺寸对陀螺整体性能有较大影响。设计阶段，通常结合ANSYS等有限元仿真工具获取模态频率、频差、耦合量、刚度、增益等的影响要素及变化规律，并据此对敏感结构进行改进优化。

有限元分析大致可分为建模、网格划分、加载、求解和后处理等步骤。现有的敏感结构仿真优化多基于三维实体模型，通过网格划分等步骤将其转化为有限元模型并进行后续求解。该方法在分析多环、微半球类不规则结构(包含弧形、曲面、不等壁厚等)时存在建模复杂、难以参数化、计算效率较低等问题。

本文采用一种基于低维单元(一维梁单元、二维壳体单元等)的简化分析方法，并通过实常数等方式提供辅助几何信息，实现参数化求解，克服常规三维实体分析建模复杂、节点数量多、结果不易判读等问题，提升设计初期的关键尺寸寻优效率，加速陀螺研发进程。……