Неупругие процессы во внутренних неразъемных соединениях механических резонаторов волновых твердотельных гироскопов

Аннотация

Рассмотрены диссипативные процессы, протекающие в типовых внутренних неразъемных (клеевых и паяных) соединениях волновых твердотельных гироскопов, реализуемых при сборке резонатора с основанием и установке пьезоэлементов на его поверхность. Часть энергии колебаний резонатора рассеивается за счет объемных и термоупругих процессов в материале соединительных слоев, что существенно ухудшает характеристики прибора. Этот эффект можно уменьшить путем балансировки резонатора, увеличения площади соединения, уменьшения толщины соединительного слоя и подбора материала слоя с малым объемным внутренним трением. Осевая асимметрия такого соединения приводит к зависимости вносимых потерь от окружного угла. В соединении пьезоэлемент--резонатор, кроме объемного внутреннего трения, следует учитывать возникающие при изгибных колебаниях термоупругие потери. Определено, что использование паяных соединений предпочтительнее по сравнению с клеевыми при толщине слоя менее ~ 20 мкм, тиксотропные свойства клеев приводят к гистерезису их неупругих свойств при нагреве и охлаждении, и, следовательно, к погрешностям волновых твердотельных гироскопов. Проанализировано влияние конфигурации внутренних неразъемных соединений и свойств материала соединительного слоя на рассеяние энергии колебаний

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Лунин Б.С., Басараб М.А. Неупругие процессы во внутренних неразъемных соединениях механических резонаторов волновых твердотельных гироскопов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2025, № 4 (153), с. 30--45. EDN: MADNSW

Литература

[1] Жбанов Ю.К., Каленова Н.В. Поверхностный дебаланс волнового твердотельного гироскопа. Известия РАН. МТТ, 2001, № 3, с. 11--18.

[2] Жбанов Ю.К., Журавлёв В.Ф. О балансировке волнового твердотельного гироскопа. Известия РАН. МТТ, 1998, № 4, с. 4--16.

[3] Басараб М.А., Матвеев В.А., Лунин Б.С. и др. Влияние неоднородности толщины оболочки волнового твердотельного гироскопа на параметры дебаланса. Гироскопия и навигация, 2016, № 4, с. 14--24. EDN: XUXLSJ

[4] Шарма Н.Г., Сундарараджан Т., Сингх Г.С. Влияние геометрических дефектов на процессы диссипации энергии колебаний и характеристики резонатора твердотельного волнового гироскопа с высокой добротностью. Гироскопия и навигация, 2020, т. 28, № 3, с. 18--31. EDN: DWNWWD

[5] Gerrard D.D., Ng E.J., Ahn C.H., et al. Modeling the effect of anchor geometry on the quality factor of bulk mode resonators. 18th TRANSDUCERS, 2015, pp. 1997--2000. DOI: https://doi.org/10.1109/TRANSDUCERS.2015.7181346

[6] Egarmin N.E., Yurin V.E. Introduction to theory of vibratory gyroscopes. Moscow, Binom, 1993.

[7] Распопов В.Я., Лихошерст В.В. Волновые твердотельные гироскопы с металлическим резонатором. Гироскопия и навигация, 2023, т. 31, № 1, с. 26--44. EDN: BQEDWV

[8] Лунин Б.С., Басараб М.А. Влияние диссипативных свойств пьезокерамических датчиков на характеристики волновых твердотельных гироскопов. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2025, № 3, с. 31--35. DOI: https://doi.org/10.25791/pribor.3.2025.1565

[9] Ventsel E., Krauthammer T. Thin plates and shells. New York, CRC Press, 2001.

[10] Negm S.E.A., Modhny A.S.A., Ahmad S.I. Investigation of thermal and mechanical properties of Sn--Zn and Sn--Zn--Bi near-eutectic solder alloys. Results Mater., 2022, vol. 15, art. 100316.DOI: https://doi.org/10.1016/j.rinma.2022.100316

[11] Blanter M.S., Golovin I.S., Neuhauser H., et al. Internal friction in metallic materials. A handbook. Heidelberg, Springer, 2007.

[12] Постников В.С. Внутреннее трение в металлах. М., Металлургия, 1974.

[13] Сапожников К.В., Голяндин С.Н., Кустов С.Б. Температурная зависимость внутреннего трения поликристаллического индия. Физика твердого тела, 2010, т. 52, № 12, с. 2341--2348. EDN: RCSFWF

[14] Fujii Y., Ono T. Temperature dependence of Young’s modulus and internal friction in Sn--Zn--Al lead-free solder. J. Solid Mech. Mater. Eng., 2008, vol. 2, no. 8, pp. 981--986. DOI: https://doi.org/10.1299/jmmp.2.981

[15] Chang S.H., Wu S.K. Low-frequency damping properties of eutectic Sn--Bi and In--Sn solders. Scrip. Mater., 2011, vol. 64, no. 8, pp. 757--760. DOI: https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2010.12.035

[16] Chang S.H., Wu S.K., Kuo C. Effect of reinforced multiwall carbon nanotubes on the damping characteristics of Sn--Ag--Сu lead-free solder. Mater. Lett., 2020, vol. 276, art. 128196. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.128196

[17] Qiao L., Eastel A.J., Bolt C.J., et al. Thermomechanical analysis and performance tests of some EPI wood adhesives. Pigm. Resin. Technol., 2000, vol. 29, no. 4, pр. 229--237. DOI: https://doi.org/10.1108/03699420010339371

[18] Лунин Б.С., Басараб М.А. Диссипация энергии колебаний в соединении пьезокерамика--подложка. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2024, № 5, с. 1--7. EDN: QAQDRH

[19] Zener C. Internal friction in solids II. General theory of thermoelastic internal friction. Phys. Rev., 1938, vol. 53, no. 1, рp. 90--99. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.53.90

[20] Малкин А.Я., Исаев А.И. Реология: концепции, методы, приложения. СПб., Профессия, 2017.