[发明专利]一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法

说明书

本发明涉及压电加速度计领域，公开了一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法。本方法首先以压电加速度计的质量为设计目标，固有频率和电压敏感度为约束，基于敏感度分析选择设计变量，从而构建了加速度计结构优化模型，并求解得到初步解。其次，考虑工程中结构尺寸、材料参数涉及的不确定性，基于区间分析技术度量这些不确定性对性能的综合影响，并基于此改进了优化模型，得到了可靠的设计结果。本方法在保证加速度计在固有频率和电压敏感度等方面性能可靠度的前提下，有效降低结构质量，为高性能、高可靠度压缩式压电加速度计的优化提供了潜在设计工具；并且，本方法原理简单、操作简便，具有良好的工程实用性。

技术领域

本发明涉及压电加速度计领域，尤其涉及一种适用于压缩式压电加速度计的结构优化设计方法。

背景技术

压缩式压电加速度计具有响应迅速、频带宽、线性度好、灵敏度高等特点，因而被广泛应用于航空航天、能源电力、船舶交通等系统的振动测试校准、机械动态试验、模态分析、故障诊断等重要环节。加速度计的设计过程中通常需要着重考虑的性能包括：质量、固有频率和敏感度。加速度计自重越小，给被测系统引入的额外质量载荷就越小，则对测量精度的影响越小且易于安装。在设计规范中，通常会选用加速度计一阶固有频率的1/3作为产品的最大量程；换言之，固有频率越高，意味着量程越大，工程适用性越好。而对于绝大多数的传感器而言，敏感度都是产品的核心性能。然而，大量的工程实践和理论研究表明，压缩式压电加速度计的质量、固有频率和敏感度存在彼此制衡的关系。并且，这些关键性能受到加速度计内部元件所具有的结构特征及材料参数的影响。由此，分析元件结构特征及材料参数对各关键性能的影响，开发简明易用的压缩式压电加速度计结构优化设计方法，对于提升此类产品的综合性能具有重要的工程意义。

随着工程应用对加速度计性能要求日益提升，传统的基于试算-试验的设计方法面临诸多挑战。首先，可设计且对性能具有显著影响结构尺寸，维度较高且彼此关联，逐一试算并通过试验验证将导致难以承受的设计成本。尽管如有限元分析等数值模拟技术已引入到加速度计的设计过程，较真实试验已大幅降低了设计成本；但基于试算策略的设计方法仍然难以满足实际工程的需要。其次，工程实践中，加速度计中各元件的结构尺寸、材料参数存在无法避免的不确定性，这些不确定性的综合影响可能导致加速度计在关键性能上的失效。尽管在理论界已经发展出一些针对不确定性结构的随机优化算法，但由于其理论深奥、过程繁琐，在工程应用上存在障碍。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足而采用一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法，该方法可以在综合考虑压缩式压电加速度计的质量、一阶固有频率以及电压敏感度等关键性能，并将不确定性分析技术引入其中，为高可靠度的压缩式压电加速度计结构设计提供了高效的设计工具。

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法，包括以下步骤：

(1)根据待优化的加速度计，预先定义优化目标为质量M和约束条件为一阶固有频率f≥f₀和电压敏感度S≥S₀，需要选取最小化加速度计的质量M为优化目标；

(2)基于所述优化目标质量M，根据工程经验，选择可设计的结构尺寸X_i,i＝1,2,...,N，并设置X_i的取值范围[X_i^L,X_i^R]和初始值X_i⁽⁰⁾；在所述初始值X_i⁽⁰⁾处逐一计算X_i,i＝1,2,...,N对所述加速度计质量M的敏感度，根据所需敏感度选择变量作为设计变量，组成设计向量X＝[X₁,X₂,...,X_n]；

(3)基于所述设计向量X，建立所述加速度计的质量功能函数M(X)；

(4)基于所述设计向量X，建立所述加速度计一阶固有频率的功能函数f(X)；