地磅稱重傳感器彈性元件的設計與研究
彈性體是地磅應變式稱重傳感器的關鍵部件,對其合理的尺寸設計,是保證傳感器性能如線性度、靈敏度的關鍵。經典的傳感器彈性體設計方法是以解析法設計,其設計周期長、效率低、廢品率高。采用 Ansys workbench 有限元優化設計法,對傳感器的彈性體尺寸設計及優化,有效避免了解析法設計的不足,且能模擬工況加載,確定彈性體應力應變敏感區,找到貼片位置,提高傳感器的設計效率。
隨著現代科技的發展,自動化在日常生活中運用越來越普遍,作為實現自動采集數據的主要設備—傳感器,在日常生活中廣泛應用。應用的廣泛性帶動對其性能的嚴格要求,高的靈敏度、精度是最基本的性能要求。尺寸的合理設計才能保證基本性能。
本文以地磅稱重傳感器某型號為例,利用有限元方法對彈性體進行了尺寸優化設計。
1.稱重傳感器的原理
如圖 1 所示為稱重傳感器結構圖,稱重原理如下:重物放在稱重托盤 1 上,彈性體 2 左側與稱重托盤螺栓固定,右側與稱重底座 3 螺栓固定。彈性元件在重力作用下發生變形,帶動粘結在彈性體孔內 a、c、b、d 處的應變片發生應變,再經過測量電路的放大和數據轉化,便可顯示重物的質量。設計的重點是合適的孔徑使得加載后應變最大,并保證在量程內彈性體不會損壞。孔設計以應力集中為原則,保證應變片的貼片區域加載后應變最大,實際上就是建立較好的應變與載荷的一一對應關系。
2.彈性元件優化參數設定
應用于稱重和測力領域的稱重傳感器,承受拉壓和彎曲變形。雙孔平行梁型具有對加載方式和受力點移動不敏感 抗偏心和側向力等優點,符合設計需求。所以選擇內部雙孔結構的平行梁型結構作為彈性元件結構。該結構的幾何尺寸可用低階曲線如直線和圓弧線來描述,將結構尺寸和圓弧半徑用變量表示即可得到參數化模型,如圖 2 所示。
彈性元件的尺寸可用 x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8 決定,不同的設計變量值對應不同的設計,倒圓角在此設計中不重要,不做設計。而在這些尺寸中,x1、x2、x3、x7、x8 的尺寸為已知,稱為獨立變量。x4、x5、x6 尺寸需要優化后確定,為非獨立變量。各尺寸間的關系為:
3.有限元三維設計及靜態特性分析
在 ANSYSworkbench 里建立有限元模型如圖 3所示,并對非獨立變量 x4、x5、x6 參數化設置 。
有限元分析中網格的劃分直接影響求解準確性及順利程度。靜力分析時,如只需要形狀的變化,則網格劃分疏些;如需要計算應力,則網格劃分相對要密些。網格多計算速度慢,計算時間長;網格少,計算時間短,分析結果不夠準確。因此,若能滿足準確度要求的前提下,選用網格少劃分方式。本文綜合考慮彈性體結構選擇自動劃分網格,但對應力集中部位孔周圍進行局部細化。節點數為 33 078,單元數 19 040.
在進行有限元應力應變分析時,首先確定材料屬性。彈性體材料為 2A12 鋁合金;彈性模量 E = 71 GPa,泊松比 = 0.3,彈性極限 = 425 MPa;彈性體單側固定在托盤上,另一側與載重板螺栓連接,可簡化為懸臂梁結構的有限元加載模,F = 400 N.彈性體應變如圖 4 所示。
根據應變云圖可以看出,最大應變發生在右側孔徑內側,最大應變 0.0016 小于材料最大應變
0.006,因此在優化尺寸時可以將應變作為目標變量,設定為參數。在此基礎上對孔徑 x5 及孔中心到左右兩側距離 x4 進行優化,優化的結果見圖 5.
4.結果分析
由優化表及優化曲線可以看成,在孔半徑 x5 = 8 mm,兩孔中心到左、右側邊界距離 x4 = 32 mm 時,應變最大。將此尺寸結合給定尺寸后再次進行應力分析。
ε1、ε2、ε3、ε4 分別為貼應變片部位 a、c、b、d 處最大應變值。
優化前后對比可知,優化后的平均應變大于優化前的平均應變,在載荷不變的前提下,應變大小與應變片的變形程度有關,應變越大,彈性體變形越大,彈性體的靈敏度越高。
5.結束語
用有限元的方法對彈性體參數化設計、分析,既能迅速的分析彈性體的尺寸變化對應變的影響,找到應變最大部位,提高了彈性體設計的準確度,又能根據工況快速設計不同量程的彈性體,使得設計周期大大縮短,提高企業生產效率,應用前景廣闊,對未來彈性體更精確度設計具有參考作用。