地磅稱重傳感器彈性元件的設(shè)計與研究

彈性體是地磅應(yīng)變式稱重傳感器的關(guān)鍵部件，對其合理的尺寸設(shè)計，是保證傳感器性能如線性度、靈敏度的關(guān)鍵。經(jīng)典的傳感器彈性體設(shè)計方法是以解析法設(shè)計，其設(shè)計周期長、效率低、廢品率高。采用 Ansys workbench 有限元優(yōu)化設(shè)計法，對傳感器的彈性體尺寸設(shè)計及優(yōu)化，有效避免了解析法設(shè)計的不足，且能模擬工況加載，確定彈性體應(yīng)力應(yīng)變敏感區(qū)，找到貼片位置，提高傳感器的設(shè)計效率。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，自動化在日常生活中運用越來越普遍，作為實現(xiàn)自動采集數(shù)據(jù)的主要設(shè)備—傳感器，在日常生活中廣泛應(yīng)用。應(yīng)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(shè)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(yōu)化設(shè)計。

1.稱重傳感器的原理

如圖 1 所示為稱重傳感器結(jié)構(gòu)圖，稱重原理如下：重物放在稱重托盤 1 上，彈性體 2 左側(cè)與稱重托盤螺栓固定，右側(cè)與稱重底座 3 螺栓固定。彈性元件在重力作用下發(fā)生變形，帶動粘結(jié)在彈性體孔內(nèi) a、c、b、d 處的應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變，再經(jīng)過測量電路的放大和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，便可顯示重物的質(zhì)量。設(shè)計的重點是合適的孔徑使得加載后應(yīng)變最大，并保證在量程內(nèi)彈性體不會損壞。孔設(shè)計以應(yīng)力集中為原則，保證應(yīng)變片的貼片區(qū)域加載后應(yīng)變最大，實際上就是建立較好的應(yīng)變與載荷的一一對應(yīng)關(guān)系。

2.彈性元件優(yōu)化參數(shù)設(shè)定

應(yīng)用于稱重和測力領(lǐng)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(cè)向力等優(yōu)點，符合設(shè)計需求。所以選擇內(nèi)部雙孔結(jié)構(gòu)的平行梁型結(jié)構(gòu)作為彈性元件結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的幾何尺寸可用低階曲線如直線和圓弧線來描述，將結(jié)構(gòu)尺寸和圓弧半徑用變量表示即可得到參數(shù)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(shè)計變量值對應(yīng)不同的設(shè)計，倒圓角在此設(shè)計中不重要，不做設(shè)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(yōu)化后確定，為非獨立變量。各尺寸間的關(guān)系為：

3.有限元三維設(shè)計及靜態(tài)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(shù)化設(shè)置 。

有限元分析中網(wǎng)格的劃分直接影響求解準(zhǔn)確性及順利程度。靜力分析時，如只需要形狀的變化，則網(wǎng)格劃分疏些；如需要計算應(yīng)力，則網(wǎng)格劃分相對要密些。網(wǎng)格多計算速度慢，計算時間長；網(wǎng)格少，計算時間短，分析結(jié)果不夠準(zhǔn)確。因此，若能滿足準(zhǔn)確度要求的前提下，選用網(wǎng)格少劃分方式。本文綜合考慮彈性體結(jié)構(gòu)選擇自動劃分網(wǎng)格，但對應(yīng)力集中部位孔周圍進行局部細化。節(jié)點數(shù)為 33 078，單元數(shù) 19 040.

在進行有限元應(yīng)力應(yīng)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(cè)固定在托盤上，另一側(cè)與載重板螺栓連接，可簡化為懸臂梁結(jié)構(gòu)的有限元加載模，F = 400 N.彈性體應(yīng)變?nèi)鐖D 4 所示。

根據(jù)應(yīng)變云圖可以看出，最大應(yīng)變發(fā)生在右側(cè)孔徑內(nèi)側(cè)，最大應(yīng)變 0.0016 小于材料最大應(yīng)變

0.006，因此在優(yōu)化尺寸時可以將應(yīng)變作為目標(biāo)變量，設(shè)定為參數(shù)。在此基礎(chǔ)上對孔徑 x5 及孔中心到左右兩側(cè)距離 x4 進行優(yōu)化，優(yōu)化的結(jié)果見圖 5.

4.結(jié)果分析

由優(yōu)化表及優(yōu)化曲線可以看成，在孔半徑 x5 = 8 mm，兩孔中心到左、右側(cè)邊界距離 x4 = 32 mm 時，應(yīng)變最大。將此尺寸結(jié)合給定尺寸后再次進行應(yīng)力分析。

ε1、ε2、ε3、ε4 分別為貼應(yīng)變片部位 a、c、b、d 處最大應(yīng)變值。

優(yōu)化前后對比可知，優(yōu)化后的平均應(yīng)變大于優(yōu)化前的平均應(yīng)變，在載荷不變的前提下，應(yīng)變大小與應(yīng)變片的變形程度有關(guān)，應(yīng)變越大，彈性體變形越大，彈性體的靈敏度越高。

5.結(jié)束語

用有限元的方法對彈性體參數(shù)化設(shè)計、分析，既能迅速的分析彈性體的尺寸變化對應(yīng)變的影響，找到應(yīng)變最大部位，提高了彈性體設(shè)計的準(zhǔn)確度，又能根據(jù)工況快速設(shè)計不同量程的彈性體，使得設(shè)計周期大大縮短，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，應(yīng)用前景廣闊，對未來彈性體更精確度設(shè)計具有參考作用。