Mathematical Models for Nonideal Resonator Digital Twins of Solid-State Wave Gyroscopes

Authors

  • K. V. Shishakov Kalashnikov ISTU

DOI:

https://doi.org/10.22213/2410-9304-2022-3-12-23

Keywords:

mathematical model, digital twin, resonator, solid state wave gyroscope, mechanical defects

Abstract

Various variants of mathematical models for digital twins of solid-state wave gyroscope resonators with mechanical defects is given. The obtained results are designated for gyroscope manufacturing cycle maintenance to improve the quality of the output products. A general model of resonator in a resonant variable was chosen as the basic one. To take into account small residual errors of resonant manufacturing functions of space non-homogeneous distribution of shell thickness were introduced into it together with density and viscosity of material. The obtained full analytical model of wide-range gyroscope resonator employs expansion of its strained shape by the resonant form spectrum oscillations. For the considered resonators with small residual defects comparable to errors of finite-element schemes of modelling programs, resonant modes of their digital twins are to be calculated numerically for axially symmetrical resonator models. And residual errors of the manufactured shape are considered integrally in analytical models by introduction of different frequency and Q-values small parameters. Later, a working model of narrow-range gyroscope dynamics is extracted from the full model, that is presented in different forms depending on the convenience of stated problem solutions. For that purpose, fixed coordinate system axes (resonator stiffness axes, measurement instrument axes and others) were used along with moving axes following the wave process. A transition from model initial notation via fast variables into slow variable models was done, so as to avoid the effect of scheme viscosity in numerical integration programs,. The presented mathematical relations and models is possible may possibly be applied for improvement of in-process control methods and defect diagnosis of resonators to be produced.

Author Biography

K. V. Shishakov, Kalashnikov ISTU

DSc in Engineering, Professor

References

Журавлёв В. Ф., Климов Д. М. Волновой твердотельный гироскоп. М. : Наука, 1985. 125 с.

Матвеев В. А., Липатников В. И., Алехин А. В. Проектирование волнового твердотельного гироскопа. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1997. 168 с.

Климов Д. М., Журавлев В. Ф., Жбанов Ю. К. Кварцевый полусферический резонатор (Волновой твердотельный гироскоп). М. : Ким Л. А., 2017. 194 с.

Лунин Б. С., Матвеев В. А., Басараб М. А. Волновой твердотельный гироскоп. Теория и технологии. М. : Радиотехника. 2014. 176 с.

Меркурьев И. В., Подалков В. В. Динамика микромеханического и волнового твердотельного гироскопа. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2009. 228 с.

Журавлев В. Ф. Задача идентификации погрешностей обобщенного маятника Фуко // Изв. РАН. МТТ. 2000. № 5. С. 5-9.

Жбанов Ю. К., Каленова Н. В. Поверхностный дисбаланс волнового твердотельного гироскопа // Изв. РАН. МТТ. 2001. № 3. С. 11-18.

Loveday P.W., Rogers C.A. The influence of controll system design on the performance of vibratory gyroscopes // Journal of Sound and Vibration, 2002, № 3, 417-432 p.

Журавлев В. Ф. Дрейф несовершенного ВТГ // Изв. РАН. МТТ. 2004. № 4. С. 19-23.

Ragon V., Remilleux G. A new control mode for axisymetrical vibrating gyroscope greatly improving performance // in Proceedings of 18rd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation System, 2011.

Статическая балансировка цилиндрических резонаторов волновых твердотельных гироскопов / М. А. Басараб, Б. С. Лунин, В. А. Матвеев, Е. А. Чуманкин // Гироскопия и навигация. 2014. Т. 85, № 2. С. 43-51.

Маслов А. А., Маслов Д. А., Меркурьев И. В. Идентификация параметров волнового твердотельного гироскопа с учетом нелинейности колебаний резонатора // Приборы и системы: управление, контроль, диагностика. 2014. № 5. С. 18-23.

Басараб М. А., Матвеев В. А., Лунин В. С. Аппроксимация распределения плотности резонатора волнового твердотельного гироскопа по измеренным параметрам дебаланса // Приборы и системы: управление, контроль, диагностика. 2015. № 10. С. 9-16.

Козубняк С. А. Расщепление собственных частот колебаний цилиндрического резонатора волнового твердотельного гироскопа, вызванное возмущением формы // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Серия «Приборостроение». 2015. № 3. С. 39-49.

Darvishian A. et al. Anchor loss in Hemispherical Shell Resonator // Journal of Microelectromechanical Systems. 2017. Vol. 26: № 1. P. 51-66.

Маслов Д. А. Идентификация параметров гироскопа с цилиндрическим резонатором при учете влияния нелинейности на амплитуду возбуждающего воздействия // Машиностроение и инженерное образование. 2017. № 1 (50). С. 24-31.

Чуманкин Е. А., Лунин Б. С., Басараб М. А. Особенности балансировки металлических резонаторов волновых твердотельных гироскопов // Динамика сложных систем - XXI век. 2018. Т. 12, № 4. С. 85-95.

Расчет расщепления собственной частоты цилиндрического резонатора твердотельного волнового гироскопа на основе численного интегрирования высокой точности / О. С. Нарайкин, Ф. Д. Сорокин, А. М. Гуськов, С. А. Козубняк, Д. С. Вахлярский // Инженерный журнал: наука и инновации. 2019. № 5 (89). С. 4.

Zhuravlev V.Ph., Perelyaev S.E. Current state and scientific and technological forecast of a revolutionary breakthrought in wave solid-state gyroscope technology // Information Innovative Technologies. Materials of the International scientific - рractical conference. Prague, 2020. P. 113-119.

Журавлёв В. Ф. Пространственный осциллятор Ван-дер-Поля. Технические приложения // Изв. РАН. МТТ. 2020. № 1. С. 158-164.

Журавлёв В. Ф. О формировании обратных связей в пространственном осцилляторе Ван-дер-Поля // Прикладная математика и механика. 2020. Т. 84, № 2. С. 151-157.

Басараб М. А., Лунин Б. С., Колесников А. В. Численно-аналитическое решение дифференциального уравнения свободных колебаний упругого кольца при произвольном законе поворота основания // Динамика сложных систем - XXI век. 2020. Т. 14, № 2. С. 5-15.

Компенсация уходов волнового твердотельного гироскопа, вызванных анизотропией упругих свойств монокристаллического резонатора / А. А. Маслов, Д. А. Маслов, И. В. Меркурьев, В. В. Подалков // Гироскопия и навигация. 2020. Т. 28, № 2 (109). С. 25-36.

Маслов Д. А., Меркурьев И. В. Влияние нелинейных свойств электростатических датчиков управления на динамику цилиндрического резонатора волнового твердотельного гироскопа // Изв. РАН. МТТ. 2021. № 6. С. 88-110.

Басараб М. А., Лунин Б. С., Чуманкин Е. А. Балансировка металлических резонаторов волновых твердотельных гироскопов общего применения // Динамика сложных систем - XXI век. 2021. Т. 15, № 1. С. 58-68.

Published

28.09.2022

How to Cite

Shishakov К. В. (2022). Mathematical Models for Nonideal Resonator Digital Twins of Solid-State Wave Gyroscopes. Intellekt. Sist. Proizv., 20(3), 12–23. https://doi.org/10.22213/2410-9304-2022-3-12-23

Issue

Section

Articles