称重传感器弹性体有限元设计方法的探讨

1、称重传感器弹性体有限元设计方法的探讨太原太航电子科技有限公司高玉怀田向东摘要本文应用有限元结合传统的材料力学的方法，探索出一种应变式称重传感器弹性体的设计方法。关键词应变；弹性体；称重传感器；有限元；ANSYSResearchofTheMethodforDesignLoadcellBodyAnewtechniqueofdesignloadcellbodywassuccessfullydevelopedbasedontheuseoffiniteelementmethods.1 .前言随着市场的不断变化，称重传感器已由传统的商业领域，向工业等需要定制的行业发展。这些行业不断增长的需求，要求称重传感

2、器不断开发新品。为了能适应不同行业的传感器开发必须要顺应市场潮流并能创造需求，在设计过程中利用有限元分析模拟弹性体加、卸载过程，计算出载荷增加、减少时的接触应力，以保证弹性体结构设计和制造工艺的合理性，发现并及时改进设计、生产中不易发现的缺陷和错误。这样才能缩短传感器的研制周期，降低传感器的设计成本。本文就常用弹性体来说明有限元分析在设计中的应用过程。2 .有限元软件的选择目前在工程技术领域最常使用数值方法包括有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法。但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限元法。有限元法的基本思想是将问题的求解域划分为一系列的单元，单元之间通过节点连接；单元节点的待求

3、量可由单元内部积分点通过选定的函数关系插值求得。有限元单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立起节点之间的关系方程式，然后将每个单元方程“组集”在一起形成总体代数方程组，再计入边界条件后即可对方程组进行求解。通常来说，单元划分越细，求解的精度就越高。现有的许多有限元程序如ANSYS、ABAQUS、ADINA、NASTRAN、MARC和SAP等，可以分析各种非线性屈曲现象，可以方便地在有限元模型中同时包含几何及材料非线性；可供选择的单元类型也丰富多样，有各种梁单元、板单元、实体单元、连接单元和接触单元，使设计者可以有效地使用有限元方法分析复杂的结构行为。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场

4、、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I-DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、立体切片显示、透明及半

5、透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。所以选择ANSYS作为有限元分析软件。3建立有限元模型3.1 模型参数的选择选取通用的传感器弹性体作为研究对象。材料选用硬铝合金LY12-CZ,其主要性能参数见表1。表1YL12-CZ弹性模量E泊松比科剪切模量G屈服强度ss强度极限bb剪切强度T疲劳强度71GPa0.3127GPa300MPa460MPa295MPa115MPa弹性体加工应力，由于其值较小、对分析结果影响不大，且分布十分复杂，难以在在有限元模型中准确建立，因此实际建模时没有考

6、虑。弹性体实际初始缺陷难以确定，建模时也没有包括。在保证计算精度的情况下尽量简化模型和节约计算费用。敏感部位厚度6的选择：为了获得传感器与敏感部位厚度的关系，所以选取敏感部位厚度为经验值2.07附近的点6=1.97、6=2.02、6=2.07、6=2.12、6=2.17分别建模、分析。3.2 单元类型单元类型选用SOLID95高精度实体单元。SOLID95是比3-D,8节点固体单元SOLID45更高级的单元。它能够吸收不规则形状的单元而精度没有损失。SOLID95单元有可并立的位移形状并且对于曲线边界的模型能很好的适应。单元由20个节点定义，每个节点有三个自由度：在节点x,y,z方向的平移。单

7、元可能有任何的3-D方位。SOLID95有塑性，蠕变，应力刚度，大变形、，以及大应变能力。各种打印输出控件均可用。Y,%，PyramidOplionO.PWUA6TPrismQjJCicr图1SOLID95单元几何形状KLST«rroJiedrBiOption轴NO.P.UV.W.XA该单元的图形，节点位置，和坐标系、四面体形单元和菱形单元的构成如图1所示。菱形单元可用通过对节点K,L,和S,A和BO,以及P,和W定义相同的节点号得到。压力可以看作单元面上的表面载荷输入，如图1带圆圈数字所示。3.3 网格划分划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要的工作量较

8、大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。为建立正确、合理的有限元模型，所以要注意以下方面的问题。3.3.1 网格数量网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加,计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。网格较少时增加网格数量可以使计算精度明显提高，而计算时间不会有大的增加。当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网格时精度提高甚微，而计算时间却有大幅度增加。在决定网格数量时应考虑分析数据的类型。在静力分析时，如果仅仅是计算结构的变形，网格数量可以少一些。如果需要计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对

9、较多的网格。3.3.2 网格疏密网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位（如应力集中处），为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。这样，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。采用疏密不同的网格划分，既可以保持相当的计算精度，又可使网格数量减小。因此，网格数量应增加到结构的关键部位，在次要部位增加网格是不必要的，也是不经济的。基于以上考虑，在弹性体粘贴电阻应变计的面采用1mm边长的网格，其余面则由ANSYS通过智能网格划分控制(SMARTSIZE

10、)自动划分。划分结果如图2所示。3.4边界条件的模拟有限元模型的边界条件是最为复杂和最难模拟的一部分，稍微的一点偏差就可能使计算结果误差，因此必须经过反复调试、比较才能在满足精度的前提条件下图2网格图图3传感器安装结构图图4传感器边界及力模拟图得到最合适的模型。由于弹性体安装是与秤底座通过螺钉紧固连接如图3所示，而且弹性体与秤底座连接部位是实心矩型铝合金体相对于弹性体敏感部位其连接可假设为刚性连接，各方向自由度均为零。其模型如图4所示。3.5加载方式的模拟由于传感器受到的是集中力的作用，作用于两个侧面安装孔。所以应施加作用力于两个螺纹孔。在有限元分析过程中在实体模型中的两个螺纹孔做两个节点用于

11、加载集中力。其加载模式如图4所示。3.6材料特性模拟传感器的线性是必须保证的性能指标，选用大约为其弹性极限1/3的应力段作为其工作范围，这样就必然保证了其工作的线性。4数据分析通过ANSYS软件的postl后处理程序对该传感器的分析数据进行处理，然后与试验实测的结果进行比较，从而判断有限元建模的优劣，边界条件及加载条件的假设是否合理，经过不断的改进从而得到最优的弹性体结构获取数据建立坐标系按如图5所示建立笛卡尔坐标系，此坐标系是整个有限元分析过程的基准，所有获得的数据都以此为标准。数据筛选由于分析的目的主要是为了取得电阻应变计贴片位置的应变值，所以应该以应变计贴片位置为获取数据的区域。应变计的

12、尺寸为3.2X1.57,但该区域较小，只能取得45个点的数据。根据分析的应变等值线图（如图6所示），可以扩大选区到6X3及应变计基底尺寸（应变计基底尺寸6.9X3.1）位置。这样在此区域可以得到每个应变区20个数据处理。应变计的贴片位置按图5中A、B、C、D排列。图6应变等值线图有限元数据分析通过ANSYS有限元分析后，得到非常多的数据，经过筛选得到5个模型的数据。现在将分别计算、分析。由于有限元建模时的单元的选取，以及单元格的划分等形成的误差，所以每个模型的应变值选A、B、C、D四处应变绝对值平均值，这样就可以缩小误差。而且A、B、C、D各处的应变也取20个点的平均值进行计算，这样可以减少传

13、统方法中以点带面的计算方法所带来的误差。然后由得出的应变值进行计算，得出敏感部位厚度不同所对应的灵敏度值。最后将所得结果进行分析得出灵敏度与敏感部位厚度的关系。结果分析根据分析所得结果可见敏感部位厚度6=2.07时最接近灵敏度要求。所得敏感厚度6与灵敏度Su直接的结果对应关系如表2所示表2不同8值时的SU值6(mm)1.972.022.072.122.17Su(mv/v)1.971.851.781.661.6由此表可得出，当敏感厚度6增加时，Su减小有限元分析结论根据理论分析与实测值比较，其误差为0.2%。由此可见有限元模型设计，单元选择，网格划分、边界条件模拟、加载假设都满足了要求，完全可以作为一种理想的有限元分析模式来指导传感器的设计。参考文献1刘九卿.应变式称重传感器技术动向和发展趋势C.第五届全国称重技术研讨会论文集.20052王勖成，