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光纤陀螺测斜仪热仿真分析与优化设计

作　者: 杨昌均
导　师: 冯志刚
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 光纤陀螺仿真分析优化设计热致等效相移测斜仪
分类号: V241.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

光纤陀螺测斜仪是惯性测量技术在石油勘探领域中的创新应用,具有精度高、体积小、成本低等显著优点,但也存在工作时间短、可重复使用性能差等棘手问题,影响其稳定性和可靠性,制约了光纤陀螺测斜仪的整体使用效能。首先,论文以石油勘探为研究背景,综述了光纤陀螺测斜仪的热仿真分析与优化设计在国内外的研究进展。其次,推导了光纤陀螺的热致等效相移及热致误差统一公式,为光纤陀螺测斜仪的精度提高奠定基础。再次,提出光纤陀螺测斜仪的初步设计方案,建立有限元模型,仿真结果表明初步设计方案满足其在工作过程中的温度控制要求。并以测斜仪致冷器的选择与安装为基础,仿真分析不同功率电致冷器对冷却过程的致冷效果;分别针对测斜仪堵头的开启与关闭以及致冷器的外置与内置方案,开展了光纤陀螺测斜仪冷却过程的仿真分析。结果表明:初步设计方案满足冷却过程中的致冷效率要求;堵头的开启与关闭对致冷效果的影响不大;致冷器的内置方案必定优于其外置方案。最后,定制了光纤陀螺测斜仪的优化设计策略,开展材料、几何尺寸和发热功率等方面的优化,并与初步设计方案进行热与变形的对比仿真分析。结果表明:隔热套材料调整后的结构设计方案优于测斜仪的初步设计方案;测斜仪发热功率调整后的优化方案满足工作过程的温度控制及致冷效率要求;在工作过程中,材料调整后的优化方案所对应的最大变形小于初步设计方案。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章绪论  11-16
  1.1 研究背景及意义  11-12
  1.2 国内外研究现状及进展  12-15
  1.3 主要研究内容  15-16
第二章光纤陀螺热致误差的统一公式与热传导的有限元分析理论  16-27
  2.1 光纤陀螺热致误差的统一公式  16-22
    2.1.1 在热瞬态过程中的附加等效相移与工作精度  16-17
    2.1.2 在热瞬态过程中的Shupe误差与工作精度  17-19
    2.1.3 萨格奈克相移、Shupe误差和热附加等效相移的统一与工作精度  19-22
  2.2 热传导的有限元分析理论  22-26
    2.2.1 热传学理论  22-23
    2.2.2 热传导的微分控制方程与边界条件  23-24
    2.2.3 热传导的有限元分析  24-26
  2.3 小结  26-27
第三章光纤陀螺测斜仪工作过程的热仿真分析  27-41
  3.1 光纤陀螺测斜仪初步设计方案及几何模型的建立与简化  27-32
    3.1.1 光纤陀螺测斜仪初步设计方案  27-30
    3.1.2 光纤陀螺测斜仪几何模型的建立与简化  30-32
  3.2 光纤陀螺测斜仪热仿真中相关参数的确定  32-35
    3.2.1 光纤陀螺测斜仪组成部件参数的确定  32-33
    3.2.2 对流换热系数的确定  33-34
    3.2.3 光纤陀螺测斜仪内部热生成的确定  34-35
  3.3 光纤陀螺测斜仪热仿真中初始条件与边界条件的确定  35
    3.3.1 光纤陀螺测斜仪热仿真中初始条件的确定  35
    3.3.2 光纤陀螺测斜仪热仿真中边界条件的确定  35
  3.4 光纤陀螺测斜仪的热仿真方案  35-37
  3.5 光纤陀螺测斜仪工作过程的热仿真结果  37-40
    3.5.1 光纤陀螺测斜仪工作过程热仿真分析中温度边界条件的确定  37
    3.5.2 光纤陀螺测斜仪工作过程的热仿真分析结果  37-40
  3.6 小结  40-41
第四章光纤陀螺测斜仪冷却过程的热仿真分析  41-55
  4.1 外部自然对流不能满足光纤陀螺测斜仪冷却过程的致冷效率要求  41-42
  4.2 GXCX-1 型光纤陀螺测斜仪致冷器的选择与安装  42-45
    4.2.1 光纤陀螺测斜仪致冷器的选择  42-44
    4.2.2 光纤陀螺测斜仪致冷器的安装  44-45
  4.3 GXCX-1 型光纤陀螺测斜仪不同功率致冷器的致冷效果热仿真分析  45-50
    4.3.1 20W致冷器的致冷效果热仿真分析  45-46
    4.3.2 60W致冷器的致冷效果热仿真分析  46-48
    4.3.3 240W致冷器的致冷效果热仿真分析  48-50
  4.4 光纤陀螺测斜仪堵头开启与关闭时的致冷效果热仿真分析  50-52
  4.5 光纤陀螺测斜仪外置致冷器与内置致冷器方案的致冷效果仿真分析  52-54
  4.6 小结  54-55
第五章光纤陀螺测斜仪的优化设计与结构变形分析  55-76
  5.1 光纤陀螺测斜仪的优化设计策略  55-57
    5.1.1 光纤陀螺测斜仪初步设计方案中相关部件材料的调整  55
    5.1.2 光纤陀螺测斜仪初步设计方案中相关发热功率的调整  55-56
    5.1.3 光纤陀螺测斜仪初步设计方案中相关部件尺寸的调整  56-57
  5.2 光纤陀螺测斜仪初步设计方案调整后的热仿真分析与评估  57-72
    5.2.1 初步设计方案中相关部件材料调整后的热仿真分析  57-59
    5.2.2 初步设计方案中相关发热功率调整后的热仿真分析  59-71
    5.2.3 初步设计方案中相关部件尺寸调整后的热仿真分析  71-72
  5.3 光纤陀螺测斜仪的结构变形分析  72-75
  5.4 小结  75-76
第六章结束语  76-78
  6.1 主要工作  76-77
  6.2 展望  77-78
致谢  78-79
参考文献  79-84
作者在学期间取得的学术成果  84

光纤陀螺测斜仪热仿真分析与优化设计

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