残余应力对半球形谐振器振动特性的影响

《Journal of Microelectromechanical Systems》：Effects of Residual Stress on Vibrational Characteristics of Hemispherical Resonators

残余应力对半球谐振器（HSRs）振动特性的影响及建模研究。通过COMSOL Multiphysics建立残余应力分布模型，分析残余应力大小及分布规律对谐振频率和频分裂的作用机制，建立经验模型并验证其准确性。实验采用合金钢 resonator，通过调整加工主轴转速和喷丸参数控制残余应力，发现拉应力提高谐振频率，压应力降低频率，为陀螺仪误差补偿提供理论基础。

　　

摘要：

本研究系统地探讨了残余应力大小及其分布模式对半球形谐振器（HSRs）振动特性的影响，重点分析了残余应力如何影响谐振频率和频率分裂的机制。首先，在COMSOL Multiphysics有限元软件中建立了一个包含残余应力的分层模型，并通过仿真分析了残余应力对谐振频率和频率分裂的影响。其次，基于仿真结果建立了一个考虑残余应力的经验模型，用于描述谐振频率与残余应力大小之间的关系。随后对该模型的准确性进行了实验验证。为了实现可控的残余应力水平，制备了合金钢谐振器，并通过调整机床主轴转速引入了不同大小的残余压应力；通过应力消除退火处理消除了加工过程中产生的应力。接着，利用喷丸处理在不同参数下再次引入了可控的残余压应力。实验结果表明，残余应力显著改变了HSRs的振动特性：拉伸残余应力会提高谐振频率，而压缩残余应力则会降低谐振频率。本研究量化了残余应力与振动参数之间的相关性，为补偿陀螺仪中的残余应力引起的测量误差并提升其整体性能提供了理论基础和方法。[2025-0126]