一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法
专利汇可以提供一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 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。，下面是一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法专利的具体信息内容。
1.一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法，其特征在于，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，其中f0表示设计要求给出的额定固有频率，S0表示设计要求给出的额定敏感度。
(2)基于所述优化目标质量M，根据工程经验确定结构尺寸Xi的取值范围为[XLi,XRi]，i＝1,2,...,N，其中XLi、XRi分别表示所述取值范围的下界和上界，初始值为Xi(0)，在所述初始值Xi(0)处逐一计算Xi,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,...,Xn]；
(3)基于所述设计变量Xi，建立所述加速度计的质量功能函数M(X)；
(4)基于所述设计变量Xi，建立所述加速度计一阶固有频率的功能函数f(X)；
(5)基于所述设计变量，建立所述加速度计电压敏感度的功能函数S(X)；
(6)基于所述功能函数，构造加速度计优化模型，对其求解后输出初步解；
(7)基于所述初步解和参数的不确定性，评估其对所述加速度计性能的影响；
(8)基于不确定性对所述加速度计性能的影响，计算所述约束的安全系数；
(9)基于所述安全系数，更新所述加速度计优化模型，对其求解后输出最优解；
2.根据权利要求1所述的一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(2)中，基于Xi(0)建立加速度计的三维模型，将加速度计各组成元件的材料密度输入三维分析设计软件，确定质量M(0)，在初始值处逐一对M计算敏感度SiM，可表示为SiM＝|M(X(0)1,...,1.1*X(0)i,...,X(0)n)-M(0)|/M(0)。
3.根据权利要求2所述的一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法，其特征在于，结构尺寸Xi,其中使i＝1,2,...,13，逐一对M计算敏感度SiM，将SiM由大到小排列，并与Xi一一对应，取前6个Xi构成设计向量X＝[X1,X2,...,X6]。
4.根据权利要求3所述的一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(4)中，对加速度计建立1/4有限元模型，在X方向对称面和Z方向对称面上设置对称约束，基于有限元分析软件平台进行模态分析，得到初始设计X(0)＝[X1(0),X2(0),...,X6(0)]时加速度计在选定频率范围内的所有固有频率，通过在有限元分析软件界面内输入X的值，可得到相应的一阶固有频率f(X)，由此构建一阶固有频率的功能函数f(X)，f(X)为隐函数，通过响应面技术对其建立无交叉项的二阶近似函数。
5.根据权利要求4所述的一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(5)中，电压敏感度S可写成：S(X)＝2000X7dYρX4((X1+X2+X3)2-4)/eY((X1+X2)2-X12)，其中，ρ为质量元件的密度；dY和eY分别表示两个压电块材料在Y方向上的压电系数和介电常数。
6.根据权利要求1或2所述的一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述加速度计优化模型为：
求解所述优化模型可得到初步解：X(1)＝[X1(1),X2(1),...,Xn(1)]。
7.根据权利要求3-5任意一项所述的一种压缩式压电加速度计优化设计方法，其特征在于，在步骤(6)中，所述加速度计优化模型为：
使用遗传算法求解所述优化模型可得到初步解：X(1)＝[X1(1),X2(1),...,X6(1)]。
8.根据权利要求6所述一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(7)中，评估其对所述加速度计性能影响的过程为：
(7.1)根据工程经验和已有样本数据，采用区间描述所述初步解和参数的不确定性，所述初步解及相应参数可收集于向量P中，P的第j个分量统一写成Pj，Pj的不确定性用区间Ij＝[Pja,Pjb]描述，其中Pja、Pjb分别表示Pj不确定性区间的下界和上界，Ij的区间中点写成Pjc，全部区间中点组成向量Pc＝(P1c,P2c,...,Pmc)；
(7.2)计算所述区间下边界点的约束功能函数值，可写成：
a c c a c a c c a c
fj＝f(P1 ,P2 ,...,Pj ,...,Pm)，Sj＝S(P1 ,P2 ,...,Pj ,...,Pm)，j＝1,2,...,m，其中fja、Sja表示在P＝(P1c,P2c,...,Pja,...,Pmc)时所述加速度计的一阶固有频率值和电压敏感度值；
(7.3)计算所述区间上边界点的约束功能函数值，可写成：
b c c b c b c c b c
fj＝f(P1 ,P2 ,...,Pj ,...,Pm)，Sj＝S(P1 ,P2 ,...,Pj ,...,Pm)，j＝1,2,...,m，其中fjb、Sjb表示在P＝(P1c,P2c,...,Pjb,...,Pmc)时所述加速度计的一阶固有频率值和电压敏感度值。
9.根据权利要求6所述一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(8)中，计算所述约束的安全系数的过程为：
(8.1)对于所述一阶固有频率约束，如fja≤fjb则选择Pja，否则选择Pjb；
(8.2)将所选的Pja或Pjb，j＝1,2,...,m收集于向量 中，计算所述一阶固有频率的最差性能，可写成： 其中fw表示 时所述加速度计一阶固有频率的值；
(1) w
(8.3)计算所述一阶固有频率约束的安全系数：Cf＝f(X )/f；
(8.4)对于所述电压敏感度约束，如Sja≤Sjb则选择Pja，否则选择Pjb；
(8.5)将所选的Pja或Pjb，j＝1,2,...,m收集于向量PSw中，计算所述电压敏感度的最差性能，可写成：Sw＝S(PSw)，其中Sw表示 时所述加速度计电压敏感度的值；
(11.6)计算所述电压敏感度约束的安全系数：CS＝f(X(1))/Sw。
10.根据权利要求7所述一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(8)中，计算所述约束的安全系数的过程为：
(8.1)对于所述一阶固有频率约束，如fja≤fjb则选择Pja，否则选择Pjb；
(8.2)将所选的Pja或Pjb，j＝1,2,...,m收集于向量 中，计算所述一阶固有频率的最差性能，可写成：
(8.3)计算所述一阶固有频率约束的安全系数：Cf＝f(X(1))/fw；
(8.4)对于所述电压敏感度约束，如Sja≤Sjb则选择Pja，否则选择Pjb；
(8.5)将所选的Pja或Pjb，j＝1,2,...,m收集于向量PSw中，计算所述电压敏感度的最差性能，可写成：Sw＝S(PSw)；
(8.6)计算所述电压敏感度约束的安全系数：CS＝f(X(1))/Sw。
11.根据权利要求9所述一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(9)中，更新后的优化模型可写成：
12.根据权利要求10所述一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法，其特征在于，在步骤(9)中，更新后的优化模型可写成：
一种压缩式压电加速度计结构优化设计方法
技术领域
背景技术
发明内容
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,...,Xn]；
具体实施方式
Pj ，全部区间中点组成向量P＝(P1 ,P2 ,...,P10)。计算区间下边界点的约束功能函数值，可写成：fja＝f(P1c,P2c,...,Pja,...,P10c)，Sja＝S(P1c,P2c,...,Pja,...,P10c)；上边界点的情况同理可得。P，Ij以及所得fja，fjb的结果如表3所示。
进而计算固有频率的安全系数：Cf＝f(X )/f ＝1.054。对于加速度计的电压敏感度约束，如Sja≤Sjb则选择Pja，否则选择Pjb；将所选的边界点收集于向量：
进而计算固有频率的安全系数：CS＝S(X )/S＝1.172。
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