基于应力导向效应的圆柱壳振动陀螺刚性轴自稳定机理与方法研究

Metallic cylindrical shell gyro owns advantages of high accuracy, good vibration and shock resistance, small size and high reliability. Simultaneously, it can be put into mass production with low cost. However, the performance of these gyros can be easily affected by temperature, which limits its further application. Traditionally, compensation circuit is employed to reduce the temperature drift of the gyro. But this method is defective due to its poor efficiency, low accuracy and bad repeatability. Recent research shows that the temperature drift of the gyro is mainly caused by the deflection of the vibratory rigid axis of the resonator. Aiming at the above-mentioned problems, a self-stabilization mechanism and method of the rigid axis for cylindrical gyro based on oriented stress effect is proposed in this study. By using this novel method, the rigid axis of the resonator can be fixed naturally in the process of temperature varying. The main research contents are listed as follows: (1) Study on the mechanism of the oriented stress effect and its effect on the rigid axis; (2) The stress distribution and its influencing laws of the imperfect cylindrical shell resonator in the temperature field; (3) Study on self-stabilization mechanism and method of the rigid axis for shell resonator; (4) Manufacturing technology and sample machine validation of mutil-petal shell vibratory gyro; The research findings in this study will provide theoretical and technical support for improving the temperature stability of the cylindrical shell gyros.

金属圆柱壳振动陀螺具有可靠性好、体积小、精度高、抗冲击能力强等优点，并且具有低成本、大批量生产的潜力。然而，这类陀螺容易受到环境温度的影响，限制了其在装备中的应用。传统上，减小这类陀螺温漂的主要办法是通过电路进行相应补偿，但存在效率低、精度差、重复性不好等缺陷。研究表明陀螺温漂主要是由于谐振子的振动刚性轴在温度过程中发生偏转而引起的。针对上述问题，本项目提出一种基于应力导向效应的壳体振动陀螺的刚性轴自稳定机理与方法，能够使陀螺谐振子的刚性轴在温度变化过程中自然稳定。主要研究内容如下：（1）谐振子应力导向机理及其对刚性轴的影响规律研究；（2）非理想圆柱壳体谐振子在温度场中的应力分布及其影响规律；(3)壳体谐振子的刚性轴自稳定机理与方法研究；（4）多瓣式壳体振动陀螺制造工艺与样机验证。本项目研究成果将为提高圆柱壳振动陀螺温度稳定性提供理论与技术支持。

陀螺是惯性导航系统的关键器件，在精确制导炸弹、无人机、稳定平台、工业机器人等领域的应用日益广泛。这些设备装备量大、灵活性强，因此要求陀螺体积小、成本低、抗冲击振动性好，并具有较高精度。而且随着使用环境日趋复杂，陀螺同时应具备较好的温度稳定性。壳体振动陀螺具有精度高、寿命长、可靠性高、体积小、重量轻、抗冲击能力强等突出特点，是一种极有发展潜力的新型惯性器件，正受到越来越多的研究和关注。.本项目研究了一种基于应力导向效应的壳体振动陀螺的设计理论和方法。将圆柱壳的环向结构演化为多瓣式，通过主动控制使壳体结构中产生的热应力与振动刚性轴重合，使其自然稳定，能较好地解决陀螺的温度漂移问题。主要研究了以下内容：（1）谐振子应力导向机理及其对刚性轴的影响规律研究；（2）非理想圆柱壳体谐振子在温度场中的应力分布及其影响规律；（3）壳体谐振子的刚性轴自稳定机理与方法研究；（4）多瓣式壳体振动陀螺制造工艺与样机验证。项目提出的基于应力导向的谐振子设计理论和方法，具有刚性轴内在自稳定特点，克服了传统方法对加工精度要求高或温度补偿重复性差等问题，实现了稳定性优于1度/小时的陀螺样机。.项目科学意义主要体现在三个方面：（1）丰富了壳体振动陀螺设计理论体系。提出了一种基于应力导向效应的新型壳体结构，降低了谐振子振动对温度的敏感性，为壳体振动陀螺的结构设计提供了新思路。（2）完善了陀螺壳体结构中应力场效应的作用机制。项目对结构应力场加以利用与控制，拓展了壳体结构中应力场的作用方式。（3）提供了增强陀螺温度稳定性的新理论与新方法。通过研究结构中的应力导向机理，自然固定振动刚性轴，从而增强陀螺的温度稳定性。这种减小温漂的新方法为壳体振动陀螺的深入研究提供了新的渠道。.项目发表论文11 篇，其中被SCI 检索9篇；申请专利4项，已授权2项；培养研究生7人。