Preview

Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie

Advanced search

Development of a Mass Matrix of the 3D Finite Element for Modeling of the Dynamics of Micromechanical Inertial Sensor Data and their Components

https://doi.org/10.17587/mau.16.352-360

Abstract

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.

About the Author

M. A. Barulina
Institute of Precision Mechanics and Control, RAS, Saratov, 410028, Russian Federation
Russian Federation


References

1. Пешехонов В. Г. Современное состояние и перспективы развития гироскопических систем // Гироскопия и навигация. 2011. № 1. С. 3-17

2. URL: http://elektropribor.spb.ru/ru/newprod/rek.12012/ mmg-eptron.pdf

3. URL: http://www.svstron.com/gyroscopes/qrs11-single-axis-analog-gyroscope

4. Распопов В. Я. Микромеханические приборы. М.: Машиностроение, 2007. 400 с.

5. 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.

6. Образцов И. Ф., Савельев Л. М., Хазанов Х. С. Метод конечных элементов в задачах строительной механики летательных аппаратов. М.: Высшая школа, 1985. 392 с.

7. 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.

8. Rades M. Finite element analysis. Printech, 2006. 274 р.

9. 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.

10. Дарков А. В., Шпиро Г. С. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1969. 734 с.

11. Светлицкий В. А. Механика стержней. В 2-х ч. Ч. 1. Статика. М.: Высшая школа, 1987. 320 с.

12. Stephen N. G. The second spectrum of Timoshenko beam theory - Further assessment // Journal of Sound and Vibration. 2006. N. 292. P. 372-389.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Przemieniecki J. S. Theory of matrix structural analysis. New York: Dover publications, 1985. 480 c.

19. Bazoune A., Knulief Y. A. Shape functions of three-dimensional Timoshenko beam element // Journal of Sound and Vibration. 2003. 259 (2). P. 473-480.

20. Бацева О. Д., Дмитриев С. Н. Сравнительный анализ способов получения несогласованных матриц масс // Наука и образование. 2013. № 12.

21. 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.)

22. Победря Б. Е., Георгиевский Д. В. Основы механики сплошной среды. Курс лекций. М.: Физматлит, 2006. 272 с.

23. 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.

24. Newmark N. M. A method of computation for structural dynamics // Journal of Engineering Mechanics. 1959. Vol. 85, N. 3. P. 67-94.

25. Коробейников С. Н. Нелинейное деформирование твердых тел. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 262 с.

26. 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.


Review

For citations:


Barulina M.A. Development of a Mass Matrix of the 3D Finite Element for Modeling of the Dynamics of Micromechanical Inertial Sensor Data and their Components. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2015;16(5):352-360. (In Russ.) https://doi.org/10.17587/mau.16.352-360

Views: 614


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1684-6427 (Print)
ISSN 2619-1253 (Online)