<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xml:lang="ru"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">novtexmech</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="ru">Мехатроника, автоматизация, управление</journal-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn pub-type="ppub">1684-6427</issn><issn pub-type="epub">2619-1253</issn><publisher><publisher-name>Commercial Publisher «New Technologies»</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.17587/mau.16.352-360</article-id><article-id custom-type="elpub" pub-id-type="custom">novtexmech-175</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="ru"><subject>ЖУРНАЛ В ЖУРНАЛЕ "УПРАВЛЕНИЕ И ИНФОРМАТИКА В АВИАКОСМИЧЕСКИХ И МОРСКИХ СИСТЕМАХ"</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="en"><subject>JOURNAL WITHIN JOURNAL "CONTROL AND INFORMATICS IN AEROSPACE AND MARINE SYSTEMS"</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Построение матрицы масс трехмерного конечного элемента для моделирования динамики микромеханических датчиков инерциальной информации и их узлов</article-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Development of a Mass Matrix of the 3D Finite Element for Modeling of the Dynamics of Micromechanical Inertial Sensor Data and their Components</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Барулина</surname><given-names>М. А.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Barulina</surname><given-names>M. A.</given-names></name></name-alternatives><email xlink:type="simple">marina@barulina.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff-1"><aff xml:lang="ru"><institution>Институт проблем точной механики и управления РАН, г. Саратов</institution><country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en"><institution>Institute of Precision Mechanics and Control, RAS, Saratov, 410028, Russian Federation</institution><country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><pub-date pub-type="collection"><year>2015</year></pub-date><pub-date pub-type="epub"><day>28</day><month>08</month><year>2018</year></pub-date><volume>16</volume><issue>5</issue><fpage>352</fpage><lpage>360</lpage><permissions><copyright-statement>Copyright &amp;#x00A9; Commercial Publisher «New Technologies», 2018</copyright-statement><copyright-year>2018</copyright-year><copyright-holder xml:lang="ru">Commercial Publisher «New Technologies»</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="en">Commercial Publisher «New Technologies»</copyright-holder><license xlink:href="https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice" xlink:type="simple"><license-p>https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNotice</license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://mech.novtex.ru/jour/article/view/175">https://mech.novtex.ru/jour/article/view/175</self-uri><abstract><p>Построена матрица масс трехмерного конечного элемента, полностью учитывающая теорию Тимошенко - жесткость сечения балки на изгиб и сдвиг сечения при деформации. Полученная матрица масс обобщает построенные ранее матрицы масс для подобных элементов. Показана возможность использования конечного элемента с предлагаемой матрицей масс для численного моделирования динамических процессов и нагрузок в микромеханических датчиках инерциальной информации и их узлах.</p></abstract><trans-abstract xml:lang="en"><p>Mass matrix of the 3D finite element with twelve degrees of freedom was constructed taking fully into account Timoshenko theory - the stiffness of the beam section bending and shear deformation of the cross section. The created mass matrix generalizes the mass matrices of the beam element, obtained in compliance with Eu-ler-Bernoulli theory and Rayleigh theory previously constructed by the other authors. These matrices can be obtained by zeroing the specified coefficients in the mass matrix proposed in the paper. In order to verify the constructed mass matrix several numerical experiments were performed. The results were compared with the results of the numerical simulation in ANSYS. Numerical modeling demonstrated that the difference between the values of the natural frequencies in the translational motion obtained with the constructed mass matrix and in ANSYS, is less than 1 %. The difference of the maximum displacement under the harmonic loads is less than 5 %. The beats take place, when the frequency of the driving force is close to the value of the natural frequency. The effect of the resonance was obtained in the conditions of coincidence of the values of frequency of the driving force and the natural frequency. Thus the feasibility of using the proposed finite element mass matrix for the numerical simulation of the vibrating processes and loads of micromechanical inertial sensors was proved. The main advantages of the proposed 3D finite element with twelve degrees of freedom for modeling are: full respect of the inertia and shear deformation of the cross area; full control over the process of computing at any stage; low requirements for a computer power in comparison with the universal programs for the finite element modeling; possibility to do a study of high-frequency oscillations with a step of calculation equal to or less than 10-7 s.</p></trans-abstract><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>микромеханический гироскоп</kwd><kwd>микромеханический акселерометр</kwd><kwd>конечно-элементное моделирование</kwd><kwd>теория Тимошенко</kwd><kwd>вибрации</kwd><kwd>динамическое воздействие</kwd><kwd>матрица масс</kwd><kwd>micromechanical gyroscope</kwd><kwd>micromechanical accelerometer</kwd><kwd>finite element analysis</kwd><kwd>theory of Timoshenko</kwd><kwd>vibration</kwd><kwd>mass matrix</kwd></kwd-group></article-meta></front><back><ref-list><title>References</title><ref id="cit1"><label>1</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Пешехонов В. Г. Современное состояние и перспективы развития гироскопических систем // Гироскопия и навигация. 2011. № 1. С. 3-17</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Пешехонов В. Г. Современное состояние и перспективы развития гироскопических систем // Гироскопия и навигация. 2011. № 1. С. 3-17</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit2"><label>2</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">URL: http://elektropribor.spb.ru/ru/newprod/rek.12012/ mmg-eptron.pdf</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">URL: http://elektropribor.spb.ru/ru/newprod/rek.12012/ mmg-eptron.pdf</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit3"><label>3</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">URL: http://www.svstron.com/gyroscopes/qrs11-single-axis-analog-gyroscope</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">URL: http://www.svstron.com/gyroscopes/qrs11-single-axis-analog-gyroscope</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit4"><label>4</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Распопов В. Я. Микромеханические приборы. М.: Машиностроение, 2007. 400 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Распопов В. Я. Микромеханические приборы. М.: Машиностроение, 2007. 400 с.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit5"><label>5</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Джашитов В. Э., Панкратов В. М. Датчики, приборы и системы авиакосмического и морского приборостроения в условиях тепловых воздействий / Под общей ред. акад. РАН В. Г. Пешехонова. С.-Петербург: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2005. 404 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Джашитов В. Э., Панкратов В. М. Датчики, приборы и системы авиакосмического и морского приборостроения в условиях тепловых воздействий / Под общей ред. акад. РАН В. Г. Пешехонова. С.-Петербург: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 2005. 404 с.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit6"><label>6</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Образцов И. Ф., Савельев Л. М., Хазанов Х. С. Метод конечных элементов в задачах строительной механики летательных аппаратов. М.: Высшая школа, 1985. 392 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Образцов И. Ф., Савельев Л. М., Хазанов Х. С. Метод конечных элементов в задачах строительной механики летательных аппаратов. М.: Высшая школа, 1985. 392 с.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit7"><label>7</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / В. И. Мяченков, В. П. Мальцев, В. П. Майборода и др.; Под общ. Ред. В. И. Мяченкова. М.: Машиностроение. 1989. 520 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / В. И. Мяченков, В. П. Мальцев, В. П. Майборода и др.; Под общ. Ред. В. И. Мяченкова. М.: Машиностроение. 1989. 520 с.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit8"><label>8</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Rades M. Finite element analysis. Printech, 2006. 274 р.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Rades M. Finite element analysis. Printech, 2006. 274 р.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit9"><label>9</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Григолюк Э. И., Селезов И. Т. Неклассические теории колебаний стержней, пластин и оболочек // Итоги науки и техники. Сер.: Мех. тверд. деформ. тел. 1973. Т. 5. 272 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Григолюк Э. И., Селезов И. Т. Неклассические теории колебаний стержней, пластин и оболочек // Итоги науки и техники. Сер.: Мех. тверд. деформ. тел. 1973. Т. 5. 272 с.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit10"><label>10</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Дарков А. В., Шпиро Г. С. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1969. 734 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Дарков А. В., Шпиро Г. С. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1969. 734 с.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit11"><label>11</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Светлицкий В. А. Механика стержней. В 2-х ч. Ч. 1. Статика. М.: Высшая школа, 1987. 320 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Светлицкий В. А. Механика стержней. В 2-х ч. Ч. 1. Статика. М.: Высшая школа, 1987. 320 с.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit12"><label>12</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Stephen N. G. The second spectrum of Timoshenko beam theory - Further assessment // Journal of Sound and Vibration. 2006. N. 292. P. 372-389.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Stephen N. G. The second spectrum of Timoshenko beam theory - Further assessment // Journal of Sound and Vibration. 2006. N. 292. P. 372-389.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit13"><label>13</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Bedjilili Y., Tounsi A., Berrabah H. M., Mechab I., Adda Bedia E. A., Benaissa S. Natural frequencies of composite beams with a variable fiber volume fraction including rotary inertia and shear deformation // Applied Mathematics and Mechanics (English Edition). 2009. N. 30 (6). P. 717-726.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Bedjilili Y., Tounsi A., Berrabah H. M., Mechab I., Adda Bedia E. A., Benaissa S. Natural frequencies of composite beams with a variable fiber volume fraction including rotary inertia and shear deformation // Applied Mathematics and Mechanics (English Edition). 2009. N. 30 (6). P. 717-726.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit14"><label>14</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Sadeghian M., Ekhteraei Toussi H. Frequency analysis of a Timoshenko beam located on an elastic foundation // International Journal of Engineering (IJE) - Transactions A: Basics. 2011. Vol. 24, N. 1. P. 87-105.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Sadeghian M., Ekhteraei Toussi H. Frequency analysis of a Timoshenko beam located on an elastic foundation // International Journal of Engineering (IJE) - Transactions A: Basics. 2011. Vol. 24, N. 1. P. 87-105.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit15"><label>15</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Rongqiao Xu, Guannan Wang. Bending solutions of the Timoshenko partial-interaction composite beams using Euler-Bernoulli solutions // Journal of Engineering Mechanics. 2013. Vol. 139, N. 12. P. 1881-1885.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Rongqiao Xu, Guannan Wang. Bending solutions of the Timoshenko partial-interaction composite beams using Euler-Bernoulli solutions // Journal of Engineering Mechanics. 2013. Vol. 139, N. 12. P. 1881-1885.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit16"><label>16</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Троценко Ю. В. О применении модели балки Тимошенко в задаче о собственных не осесимметричных колебаниях цилиндрической оболочки с присоединенным твердым телом // Акустичний вiсник. 2003. Т. 6, № 4. С. 54-64.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Троценко Ю. В. О применении модели балки Тимошенко в задаче о собственных не осесимметричных колебаниях цилиндрической оболочки с присоединенным твердым телом // Акустичний вiсник. 2003. Т. 6, № 4. С. 54-64.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit17"><label>17</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Тулкина А. Н. Определение частот и форм колебаний стержневой системы, содержащей нанообъект, на основе теории С. П. Тимошенко // Вестник СПбГУ (Серия 1). 2011. Вып. № 1. С. 144-154.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Тулкина А. Н. Определение частот и форм колебаний стержневой системы, содержащей нанообъект, на основе теории С. П. Тимошенко // Вестник СПбГУ (Серия 1). 2011. Вып. № 1. С. 144-154.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit18"><label>18</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Przemieniecki J. S. Theory of matrix structural analysis. New York: Dover publications, 1985. 480 c.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Przemieniecki J. S. Theory of matrix structural analysis. New York: Dover publications, 1985. 480 c.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit19"><label>19</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Bazoune A., Knulief Y. A. Shape functions of three-dimensional Timoshenko beam element // Journal of Sound and Vibration. 2003. 259 (2). P. 473-480.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Bazoune A., Knulief Y. A. Shape functions of three-dimensional Timoshenko beam element // Journal of Sound and Vibration. 2003. 259 (2). P. 473-480.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit20"><label>20</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Бацева О. Д., Дмитриев С. Н. Сравнительный анализ способов получения несогласованных матриц масс // Наука и образование. 2013. № 12.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Бацева О. Д., Дмитриев С. Н. Сравнительный анализ способов получения несогласованных матриц масс // Наука и образование. 2013. № 12.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit21"><label>21</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Zienkiewicz O. C. The Finite Element Method in Engineering Science. London: McGraw-Hill Publishing Co., 1971. 521 p. (Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 542 с.)</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zienkiewicz O. C. The Finite Element Method in Engineering Science. London: McGraw-Hill Publishing Co., 1971. 521 p. (Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 542 с.)</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit22"><label>22</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Победря Б. Е., Георгиевский Д. В. Основы механики сплошной среды. Курс лекций. М.: Физматлит, 2006. 272 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Победря Б. Е., Георгиевский Д. В. Основы механики сплошной среды. Курс лекций. М.: Физматлит, 2006. 272 с.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit23"><label>23</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Джашитов В. Э., Панкратов В. М., Барулина М. А. Теоретические основы разработки и создания суперминиатюрного микромеханического многофункционального датчика инерциальной информации // Нано- и микросистемная техника. 2010. № 5 (118). С. 46-54.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Джашитов В. Э., Панкратов В. М., Барулина М. А. Теоретические основы разработки и создания суперминиатюрного микромеханического многофункционального датчика инерциальной информации // Нано- и микросистемная техника. 2010. № 5 (118). С. 46-54.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit24"><label>24</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Newmark N. M. A method of computation for structural dynamics // Journal of Engineering Mechanics. 1959. Vol. 85, N. 3. P. 67-94.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Newmark N. M. A method of computation for structural dynamics // Journal of Engineering Mechanics. 1959. Vol. 85, N. 3. P. 67-94.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit25"><label>25</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Коробейников С. Н. Нелинейное деформирование твердых тел. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 262 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Коробейников С. Н. Нелинейное деформирование твердых тел. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 262 с.</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit26"><label>26</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Li H. Nayfeh, Mohammad I. Younis, Eihab M. Abdel-Reh-man. Reduced-Order Models for MEMS Applications // Nonlinear Dynamics. 2005. Vol. 41, Iss. 1-3. P. 211-236.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Li H. Nayfeh, Mohammad I. Younis, Eihab M. Abdel-Reh-man. Reduced-Order Models for MEMS Applications // Nonlinear Dynamics. 2005. Vol. 41, Iss. 1-3. P. 211-236.</mixed-citation></citation-alternatives></ref></ref-list><fn-group><fn fn-type="conflict"><p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p></fn></fn-group></back></article>
