Динамика микромеханического гироскопа камертонного типа на подвижном основании

Дипломная работа - Физика

Другие дипломы по предмету Физика

движения в разложении по данному базису есть:

 

(1.7)

 

Разложим относительную скорость движения по данному базису:

 

(1.8)

 

Теперь можем записать абсолютную скорость:

 

(1.9)

 

Мы нашли все неизвестные, запишем удельную кинетическую энергию:

 

(1.10)

 

Найдем удельную потенциальную энергию гироскопа. Она состоит из потенциально энергии полукольца и потенциальной энергии балки:

 

(1.11)

 

Здесь с - жесткость балки,

Далее проинтегрируем удельную кинетическую и удельную потенциальную энергию от 0 до , чтобы получить кинетическую и потенциальную энергию для полукольца и построим Лагранжиан (1.1) системы:

 

(1.12)

 

.1 Составление уравнений движения с помощью принципа Гамильтона

 

Получим уравнения движения гироскопа, используя принцип наименьшего действия Гамильтона-Остроградского.

Действие по Гамильтону имеет вид:

(1.13)

 

Воспользуемся гипотезой о нерастяжимости срединной линии резонатора:

 

(1.14)

 

Проведем соответствующую замену переменных:

 

(1.15)

(1.16)

 

Таким образом (1.13):

 

(1.17)

 

На истинном пути действие по Гамильтону принимает стационарное значение, то есть Следовательно,

 

 

Выполним некоторые преобразования над варьируемыми переменными:

 

Выпишем интегро-дифференциальные уравнения гироскопа:

 

 

.2 Составление уравнений движения с помощью уравнений Эйлера

 

Проведём проверку полученных уравнений движения гироскопа с помощью уравнений Эйлера

Действие по Гамильтону имеет вид

 

(1.20)

 

Подынтегральное выражение есть функция

 

Оба уравнения вариационной задачи будут выглядеть:

 

(1.21)

 

Выведем первое интегро-дифференциально уравнение гироскопа:

 

 

Таким образом, после подстановки в (1.21) получим:

 

 

Соберем все подобные слагаемые:

 

(1.22)

 

Выведем второе интегро-дифференциально уравнение гироскопа:

 

 

Таким образом, после подстановки в (1.21) получим:

 

(1.23)

 

Получили интегро-дифференциальные уравнения движения гироскопа с помощью уравнений Эйлера. Они совпадают с уравнениями (1.19), полученными с использованием принципа наименьшего действия Гамильтона-Остроградского.

 

.3 Решение уравнений движения методом Бубнова-Галеркина

 

Решение уравнений будем искать в одномодовом приближении с помощью метода Бубнова-Галеркина для функции нормального прогиба в виде:

(1.24)

 

Чтобы подставить функцию в уравнения, найдем все остальные ее производные:

 

 

Интегро-дифференциальные уравнения после подстановки примут вид:

 

 

Приведем подобные слагаемые, уравнения примут вид:

 

(1.25)

 

Для первого уравнения проведем непосредственно процедуру Бубнова-Галеркина:

 

 

Проинтегрируем оба уравнения:

 

 

.4 Линеаризация уравнений движения

 

Раскроем скобки в уравнениях (1.26), получившихся после проведения процедуры Бубнова-Галеркина:

 

,

 

Отбросим все нелинейные слагаемые.

В первом уравнении избавимся от

Во втором уравнении от

 

.

 

В итоге получены следующие уравнения:

 

 

Разделим оба уравнения на коэффициенты при старшей производной:

 

(1.28)

 

.5 Нормализация уравнений движения

 

Обезразмерим переменную , для этого введем новую переменную

 

(1.29)

 

Уравнения движения примут следующий вид:

 

(1.30)

 

Обозначим частоту колебаний решения в первом уравнении как:

 

 

Коэффициент при гироскопическом слагаемом в первом уравнении как:

Обозначим частоту колебаний решения во втором уравнении как:

 

 

Коэффициент при гироскопическом слагаемом во втором уравнении как:

 

 

В итоге получили уравнения:

 

Уравнения примут вид:

 

(1.31)

 

2. Свободные колебания гироскопа без учета трения

 

.1 Случай одночастотной системы

 

Имеем следующую систему:

 

(1.31)

 

Найдем решение системы (1.31) в переменных Ван-Дер-Поля. Применим к нашей системе метод Страбла и приведем ее к стандартному виду посредством перехода от переменных и к медленным переменным по формулам:

 

(1.32)

 

Найдем производные первого и второго порядков переменных и по времени t:

 

 

Подставим полученные уравнения в нашу систему (1.32):

 

 

После линеаризации система примет вид:

 

 

Разделим на коэффициенты при старшей производной, т. о. получим уравнения для медленных переменных:

 

(1.33)

 

Найдем решение системы (1.33), для этого запишем второе и четвертое уравнение следующим образом:

 

 

Введем замену переменных:

 

(1.34)

Продифференцируем уравнения замены:

 

(1.35)

 

Запишем уравнения для и с учетом замены (1.34), (1.35):

 

 

Упрощая выражения, получим:

 

(1.36)

 

Запишем определитель полученной с