柔性结构振动陀螺仪非线性动力学及其能量传递机理

Inertial gyroscopes are widely used in the fields of navigation, aeronautics, aerospace, and even the vehicle navigation, electronics, and mobile fields. With the emerging of the micro-gyroscopes, much smaller ones are required. Based on the coriolis vibratory gyroscopes, the nonlinear dynamics of the gyroscopic continuum is reached to fulfil the gap between the science theory and the applications. By the methods of analytical, simulation, and experiments, the nonlinear transient dynamics of the flexible rotating body are investigated in the coriolis vibratory gyroscope background. The main focus is on the mechanism of the energy transfer between the drive direction and the sense direction involving the nonlinear conditions. Moreover, the parametric excitation is considered for possible signal enhancement for the resonance case. The parametric excitation may expand the sense ability of the gyroscopes. This project may provide theoretical fruits for the traditional gyroscopic continuum dynamics and also present useful basis for the design and application of the coriolis vibratory gyroscopes.

惯性陀螺仪在航海、航空、航天工程领域及汽车导航、消费电子和移动应用等众多民用领域里有着广泛的应用。当前迫切需求尺寸更小，结构更为紧凑的微型陀螺仪。本项目从振动陀螺角速度敏感元件的工程应用中提炼出非线性陀螺连续体系的非线性动力学科学问题。利用理论分析与实验手段相结合的方法，探讨振动陀螺仪柔性旋转结构的非线性动力学行为，深刻研究非线性状态下振动能量在驱动方向和感应方向之间的传递机理。进一步提出参激共振放大效应，力图加强振动能量在不同方向的传递效率，基于非线性动力学特性提高柔性旋转结构振动陀螺仪检测敏感度。利用理论、实验相结合的方法研究柔性旋转结构非线性动力学行为及其能量传递机理不仅能够为我国航天导航相关领域提供丰富的理论基础，而且能够拓展连续陀螺系统动力学的分析方法和实验手段。本项目在有关陀螺连续体系的研究中有重要的学术价值，同时也在新型振动陀螺仪设计实际工程中有着重要的应用前景。

本项目从振动陀螺角速度敏感元件的工程应用中提炼出非线性陀螺连续体系的非线性动力学科学问题。利用理论分析与实验手段相结合的方法，探讨振动陀螺仪柔性旋转结构的非线性动力学行为，深刻研究非线性状态下振动能量在驱动方向和感应方向之间的传递机理。进一步提出参激共振放大效应，基于非线性动力学特性提高柔性旋转结构振动陀螺仪检测敏感度，力图加强振动能量在不同方向的传递效率。.在本项目的支持下，围绕非线性动力学能量传递机理及如何提高振动信号问题，研究了柔性旋转结构陀螺体系的建模、非线性动力学分析及参激共振响应等内容。基于欧拉角描述方法及坐标变换相关动力学分析基础，结合柔性结构大变形理论，建立了柔性旋转细长结构陀螺体系的非线性动力学模型；应用状态矢量空间不变流形理论及复模态方法研究了陀螺耦合系统独有的动力学特性，讨论了振动在不同方向不同模态之间的耦合振动现象，研究了在陀螺耦合及非线性耦合状态下旋转参数、非线性效应对振动特性的影响；提出了参数激励放大振动信号的思路，深入讨论了参激和外激联合作用下的柔性旋转结构的非线性动力学响应，分析了谐波共振/主共振多种耦合共振状态下陀螺柔性结构的振动规律，讨论了参激及材料粘性阻尼对于陀螺体系能量传递的影响；应用实验手段，基于陀螺理论，利用压电驱动及压电感应原理检测柔性结构非线性瞬态动力学行为，验证了理论及数值方法对这类陀螺系统的非线性动力学特性的研究结果。.本项目利用理论、实验相结合的方法研究柔性旋转结构非线性动力学行为及其能量传递机理不仅能够为我国航天导航相关领域提供丰富的理论基础，而且能够拓展连续陀螺系统动力学的分析方法和实验手段。在本项目资助下，课题组在Journal of Sound and Vibration，Nonlinear Dynamics, ASME Journal of Applied Mechanics等国际期刊发表SCI收录论文56篇，申请专利5项。已经毕业硕士研究生16名，在读16名；已经毕业博士研究生5名, 在读4名。