本發(fā)明涉及MEMS傳感器—微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的仿真方法，具體是一種微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的可靠性仿真方法。

背景技術(shù)：

加速度計(jì)作為慣性傳感器的一種，被廣泛應(yīng)用于民航、船舶、大地測(cè)量、石油鉆探、鐵路、隧道等許多領(lǐng)域，特別是在武器裝備中，加速度計(jì)是構(gòu)成慣性測(cè)試設(shè)備的重要器件。傳統(tǒng)的最常用加速度計(jì)是壓電式加速度計(jì)。近年來(lái)，隨著微米、納米技術(shù)的迅速發(fā)展，在加速計(jì)的研制領(lǐng)域也融入了這項(xiàng)技術(shù)，出現(xiàn)了微型加速計(jì)。自從20世紀(jì)80年代初以硅材料為基礎(chǔ)的新型加速度計(jì)問(wèn)世以來(lái)，硅微加速度計(jì)以其優(yōu)良的機(jī)械和電氣性能越來(lái)越受到人們的重視。隨著硅微機(jī)械加工技術(shù)的不斷成熟，實(shí)現(xiàn)了硅微加速度計(jì)的微型化、集成化和高靈敏度。

微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)在近十幾年來(lái)取得了飛速的發(fā)展，微加速度計(jì)是MEMS的一個(gè)重要分支，在航空、航天、汽車、國(guó)防等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在這些系統(tǒng)中，利用精確的加速度計(jì)在鉆地過(guò)程中對(duì)加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，以作為后續(xù)處理判決單元的源信號(hào)。因此，加速度計(jì)作為敏感元件，是直接影響提高引信系統(tǒng)精度的關(guān)鍵因素。隨著各類高新技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代武器裝備的復(fù)雜性成倍增加，使用環(huán)境越來(lái)越嚴(yán)酷，對(duì)質(zhì)量和可靠性的要求也越來(lái)越高，給微加速度計(jì)的可靠性保障帶來(lái)越來(lái)越大的困難。微加速度計(jì)的可靠性問(wèn)題已成為阻礙它在武器系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的重要因素之一。

為了確定微加速度計(jì)的耐久性和可靠性，并預(yù)測(cè)和消除未來(lái)的故障，通常在設(shè)計(jì)和制造周期期間會(huì)針對(duì)微加速度計(jì)特定的使用環(huán)境執(zhí)行各種測(cè)試，如對(duì)微加速度計(jì)施加熱學(xué)載荷和動(dòng)態(tài)載荷—高速旋轉(zhuǎn)、動(dòng)態(tài)沖擊等，以識(shí)別可能發(fā)生故障的部位。近年來(lái)，一種新興的、被廣泛接受的可靠性測(cè)試方法—高加速壽命試驗(yàn)（HALT）技術(shù)發(fā)展迅速。20世紀(jì)80年代末起源于美國(guó)，目前廣泛地應(yīng)用于商業(yè)、工業(yè)以及國(guó)防的設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域。該測(cè)試方法對(duì)暴露產(chǎn)品的潛在缺陷，改進(jìn)產(chǎn)品的強(qiáng)度和可靠性非常有效。 HALT 試驗(yàn)過(guò)程就是以步進(jìn)方式對(duì)產(chǎn)品施加一系列單應(yīng)力（如多軸隨機(jī)振動(dòng)，溫度循環(huán)，電應(yīng)力等）和組合應(yīng)力，并逐步增加強(qiáng)度直至產(chǎn)品失效的過(guò)程。在 HALT 過(guò)程中對(duì)發(fā)生的每一個(gè)失效都進(jìn)行根本原因分析,不斷進(jìn)行試驗(yàn)、分析、驗(yàn)證和改進(jìn)。

隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度越來(lái)越高，利用傳統(tǒng)的可靠性分析方法往往需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本，因此在工程中越來(lái)越多借助仿真手段，然而目前尚未提供微加速度計(jì)對(duì)HALT測(cè)試的仿真。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決目前缺乏一種對(duì)微加速度計(jì)進(jìn)行HALT測(cè)試的仿真方法的的技術(shù)問(wèn)題，提供一種微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的可靠性仿真方法。

本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的可靠性仿真方法，其特征在于：

①利用仿真軟件ANSYS建立微加速度計(jì)的仿真模型，通過(guò)模型確認(rèn)微加速度計(jì)的材料特性及參數(shù)，設(shè)計(jì)微加速度計(jì)的高速旋轉(zhuǎn)方案即微加速度計(jì)在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的放置方式，準(zhǔn)備進(jìn)行微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境應(yīng)力下的仿真；

②微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境應(yīng)力下的仿真步驟：

（1）根據(jù)所要仿真的微加速度計(jì)的使用環(huán)境，選定仿真的起始轉(zhuǎn)速ω，以及角速度變化量Δω，100 r/min ≤Δω≤500 r/min，并且起始轉(zhuǎn)速小于微加速度計(jì)在使用環(huán)境下轉(zhuǎn)速范圍的上限值；

（2）根據(jù)步驟①中所建模型，首次設(shè)定旋轉(zhuǎn)中心與微加速度計(jì)內(nèi)部的質(zhì)量塊的距離r₁，利用仿真軟件的ANSYS靜力學(xué)分析模塊對(duì)微加速度計(jì)施加初始角速度載荷并對(duì)微加速度計(jì)進(jìn)行求解分析，得到應(yīng)力云圖及位移云圖，找到在旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的微加速度計(jì)的應(yīng)力集中點(diǎn)及最大位移處；

（3）利用仿真軟件的ANSYS動(dòng)力學(xué)分析模塊找出微加速度計(jì)可承受的最大角速度ω₁：施加載荷由起始轉(zhuǎn)速開(kāi)始，以角速度變化量Δω_max=500 r/min為步長(zhǎng)增加角速度，每增加一個(gè)子步，求解查看仿真結(jié)果中的最大應(yīng)力及最大位移，增加至超過(guò)旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試范圍上限值后再增加兩個(gè)子步，加載后進(jìn)行求解，查看仿真結(jié)果；

根據(jù)仿真結(jié)果中每個(gè)子步的應(yīng)力分布云圖，得出微加速度計(jì)的應(yīng)力最大值分布點(diǎn)和應(yīng)力集中區(qū)域；根據(jù)微加速度計(jì)的材料特性，查閱文獻(xiàn)可知其最大許用應(yīng)力為[τ]，分析微加速度計(jì)的最后一個(gè)子步結(jié)果，假設(shè)此時(shí)微加速度計(jì)所受最大應(yīng)力值為τ_max，若τ_max<[τ]，表明理論上微加速度計(jì)功能正常，則繼續(xù)對(duì)微加速度計(jì)增加角速度，再次進(jìn)行可靠性仿真結(jié)果分析，直到τ_max>[τ]；

若τ_max>[τ]，表明理論上微加速度計(jì)功能異常，則查看前一個(gè)子步的分析結(jié)果，若τ_max>[τ]，繼續(xù)查看前一個(gè)子步的分析結(jié)果，直至確定出微加速度計(jì)功能出現(xiàn)異常的最小角速度；根據(jù)該最小角速度值以每10r/min為一個(gè)子步，逐漸減小角速度，查看子步仿真結(jié)果，比較τ_max、[τ]的大小，最后確定微加速度計(jì)的破壞極限旋轉(zhuǎn)角速度ω₁；

根據(jù)已知公式，由確定的旋轉(zhuǎn)半徑r₁和破壞極限旋轉(zhuǎn)角速度ω₁求得微加速度計(jì)在半徑r₁的破壞極限離心加速度a₁；所述公式如下：

；

上述公式中，a—向心加速度；ω—角速度；r—轉(zhuǎn)動(dòng)半徑；v—切向速度；n—每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)；

（4）至少改變一次離心半徑的值，重復(fù)步驟（2）到步驟（3），針對(duì)每一個(gè)新的離心半徑的值r_i都得到一個(gè)新的破壞極限離心加速度a_i；將a_i與a₁進(jìn)行比較應(yīng)該相互吻合，則可由此確定微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的破壞極限離心加速度；

③總結(jié)仿真得到的參數(shù)進(jìn)行綜合分析。

通過(guò)上述高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的仿真，初步得到微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下所能承受的最大離心加速度a，這時(shí)候可以重新選取一個(gè)旋轉(zhuǎn)半徑直接施加最大離心加速度a進(jìn)行驗(yàn)證。由此可以對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行分析，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的情況下的微加速度計(jì)的失效找出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)提供理論指導(dǎo)，得出試驗(yàn)所需的環(huán)境參數(shù)以及提高系統(tǒng)可靠性的措施，為后續(xù)可靠性試驗(yàn)提供依據(jù)。

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定在相同的離心加速度a的作用下，不同的旋轉(zhuǎn)半徑產(chǎn)生的應(yīng)力效果和應(yīng)力值大小是相同的，所以在實(shí)際使用過(guò)程中只要旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心加速度不大于微加速度計(jì)可承受的最大離心加速度，微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)在理論上就是不會(huì)受到破壞的。由此我們得到一種微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的可靠性仿真方法，利用Ansys軟件仿真求得微加速度計(jì)可承受的最大離心加速度a并且驗(yàn)證得到微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的最大受力集中點(diǎn)和結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)。

進(jìn)一步的，在通常情況下，有三種不同的高速旋轉(zhuǎn)方案：

（1）微加速度計(jì)平放在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，主要加速度敏感方向與旋轉(zhuǎn)臺(tái)垂直；

（2）微加速度計(jì)豎放在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，主要加速度敏感方向與旋轉(zhuǎn)軸心垂直但不指向旋轉(zhuǎn)軸心；

（3）微加速度計(jì)豎放在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，主要加速度敏感方向與旋轉(zhuǎn)軸心垂直且指向旋轉(zhuǎn)軸心。

針對(duì)微加速度計(jì)的仿真方法，有三種不同的高速旋轉(zhuǎn)方案，進(jìn)行每一種方案的具體分析步驟都類似，均采用前述仿真方法。

在一定環(huán)境條件下，通過(guò)采用有限元仿真方法，全面了解微器件各部分受力狀況，并可找出器件承受應(yīng)力、彎矩最大值點(diǎn)，器件變形最大值點(diǎn)。通過(guò)分析這些最大值點(diǎn)與微器件故障部位實(shí)際情況，找出器件故障的機(jī)理。通過(guò)仿真技術(shù)與實(shí)際微器件故障現(xiàn)象的分析對(duì)比，研究基于仿真技術(shù)的環(huán)境試驗(yàn)方法，得出試驗(yàn)所需的環(huán)境參數(shù)以及提高系統(tǒng)可靠性的措施，為后續(xù)可靠性試驗(yàn)提供依據(jù)。與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)相比，微加速度計(jì)可靠性仿真省去了昂貴的測(cè)試設(shè)備、人員以及用于測(cè)試本身的大量時(shí)間，大大降低研制成本。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明是一種針對(duì)微加速度計(jì)的可靠性仿真方法，能夠提前發(fā)現(xiàn)微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的受力薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行仿真模擬，得出試驗(yàn)所需的微加速度計(jì)的極限旋轉(zhuǎn)范圍參數(shù)以及提高系統(tǒng)可靠性的措施，為后續(xù)可靠性試驗(yàn)提供依據(jù)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明能夠了解微加速度計(jì)在不同形態(tài)的高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境應(yīng)力下的受力情況，通過(guò)仿真軟件找出微加速度計(jì)可以承受的最大的離心加速度。

一種微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的可靠性仿真方法，具體步驟如下：

①利用仿真軟件ANSYS建立微加速度計(jì)的仿真模型，通過(guò)模型確認(rèn)微加速度計(jì)的材料特性及參數(shù)，分析微加速度計(jì)的三種不同的高速旋轉(zhuǎn)方案，每一種方案的具體分析步驟都類似；

通常情況下，有三種不同的高速旋轉(zhuǎn)方案：

（1）微加速度計(jì)平放在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，主要加速度敏感方向與旋轉(zhuǎn)臺(tái)垂直；

（2）微加速度計(jì)豎放在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，主要加速度敏感方向與旋轉(zhuǎn)軸心垂直但不指向旋轉(zhuǎn)軸心；

（3）微加速度計(jì)豎放在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，主要加速度敏感方向與旋轉(zhuǎn)軸心垂直且指向旋轉(zhuǎn)軸心；

②微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境應(yīng)力下的仿真步驟：

（1）根據(jù)所要仿真的微加速度計(jì)的使用環(huán)境，選定仿真的起始轉(zhuǎn)速ω，以及角速度變化量Δω，100 r/min ≤Δω≤500 r/min，并且起始轉(zhuǎn)速小于微加速度計(jì)在使用環(huán)境下轉(zhuǎn)速范圍的上限值；

（2）根據(jù)步驟①中所建模型，首次設(shè)定旋轉(zhuǎn)中心與微加速度計(jì)內(nèi)部的質(zhì)量塊的距離r₁，利用仿真軟件的ANSYS靜力學(xué)分析模塊對(duì)其施加初始角速度載荷對(duì)微加速度計(jì)進(jìn)行求解分析，得到應(yīng)力云圖及位移云圖，找到在旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的微加速度計(jì)的應(yīng)力集中點(diǎn)及最大位移處；

（3）利用仿真軟件的ANSYS動(dòng)力學(xué)分析模塊找出微加速度計(jì)可承受的最大角速度ω₁：施加載荷由起始轉(zhuǎn)速開(kāi)始，以角速度變化量Δω_max=500 r/min為步長(zhǎng)增加角速度，每增加一個(gè)子步，求解查看仿真結(jié)果中的最大應(yīng)力及最大位移，增加至超過(guò)旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試范圍上限值后再增加兩個(gè)子步，加載后進(jìn)行求解，查看仿真結(jié)果；

根據(jù)仿真結(jié)果中每個(gè)子步的應(yīng)力分布云圖，得出微加速度計(jì)的應(yīng)力最大值分布點(diǎn)和應(yīng)力集中區(qū)域；根據(jù)微加速度計(jì)的材料特性，查閱文獻(xiàn)可知其最大許用應(yīng)力為[τ]，分析微加速度計(jì)的最后一個(gè)子步結(jié)果，假設(shè)此時(shí)微加速度計(jì)所受最大應(yīng)力值為τ_max，若τ_max<[τ]，表明理論上微加速度計(jì)功能正常，則繼續(xù)對(duì)微加速度計(jì)增加角速度，再次進(jìn)行可靠性仿真結(jié)果分析，直到τ_max>[τ]；

若τ_max>[τ]，表明理論上微加速度計(jì)功能異常，則查看前一個(gè)子步的分析結(jié)果，若τ_max>[τ]，繼續(xù)查看前一個(gè)子步的分析結(jié)果，直至確定出微加速度計(jì)功能出現(xiàn)異常的最小角速度；根據(jù)該最小角速度值以每10r/min為一個(gè)子步，逐漸減小角速度，查看子步仿真結(jié)果，比較τ_max、[τ]的大小，最后確定微加速度計(jì)的破壞極限旋轉(zhuǎn)角速度ω₁；

根據(jù)已知公式，由確定的旋轉(zhuǎn)半徑r₁和破壞極限旋轉(zhuǎn)角速度ω₁求得微加速度計(jì)在半徑r₁的破壞極限離心加速度a₁；所述公式如下：

；

上述公式中，a—向心加速度；ω—角速度；r—轉(zhuǎn)動(dòng)半徑；v—切向速度；n—每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)；

（4）改變一個(gè)離心半徑r₂，重復(fù)步驟（2）到步驟（3），得到一個(gè)新的破壞極限離心加速度a₂，將a₂與a₁進(jìn)行比較應(yīng)該相互吻合，則可由此確定微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的破壞極限離心加速度；

③總結(jié)仿真得到的參數(shù)進(jìn)行綜合分析；

通過(guò)之前的高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的仿真，初步得到微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下所能承受的最大離心加速度a，這時(shí)候可以重新選取一個(gè)旋轉(zhuǎn)半徑直接施加最大離心加速度a進(jìn)行驗(yàn)證。由此可以對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行分析，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的情況下的微加速度計(jì)的失效找出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)提供理論指導(dǎo)，得出試驗(yàn)所需的環(huán)境參數(shù)以及提高系統(tǒng)可靠性的措施，為后續(xù)可靠性試驗(yàn)提供依據(jù)。