应变式称重传感器弹性体线性度的有限元分析.pdf

仪器仪表/检测/监控
现代制造工程2010年第10期
应变式称重传感器弹性体线性度的有限元分析
陈秋顺,仲梁维
(上海理工大学,上海20003)
摘要:弹性体是应变式称重传感器的关键元件。采用有限元法对应变式称重传感器弹性体进行分析。用此方法首先要
得到弹性体的应变分布特性,确定考察应力线。然后分级加载,得到载荷与考察应カ线之间的一元线性回归方程,分析
得出弹性体的线性度。分析结果表明,此弹性体的线性度很好,能满足使用要求。
关键词;弹性体;线性度;有限元;考察应力线
中图分类号:TrP212文献标识码;A文章编号:1671-3133(20101)10-0097-04
Finite-element analysis for elastic body linearity of strain weight sensor
CHEN Qiu-shun, ZHONG Liang-wei
(University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)
Asat: Elastic od is he key of strain weight en train weit ensor is analyzed by the means of finite-element Firstly
the characteristic of stress distribution is achieved, and the inspected stress lines are confirmed. After loading, one-dimensional
linear regression equaion twen d and is s line s and and e linearity of elastic body is achieved. The a-
nalysis result shows that the elastic body is of excellent linearity and it is able to meet the application requirements
Key words: elastic body; linearity; finite-element; inspected stress line
0引言
得出弹性体上的整体应变分布情况,确定考察应力线
位置。在此基础上重新进行网格划分,并且分多级加
应变式称重传感器由于其量程宽、体积小、携带载,计算后得出相关数据,最后得出弹性体的输入力
方便和准确度高等特点在电子衡器中被广泛应用。与输出变形的线性度。
应变式称重传感器主要由弹性体、应变计和检测电路
组成。其工作原理是:弹性体在外力作用下产生弹性
1确定考察应力线位置
形变,使粘贴在它表面的电阻应变片也随之产生形
电阻应变片粘贴在弹性体上以后,当弹性体受力
变,从而引起电阻应变片的阻值发生变化,通过相应发生变形,其上的电阻栅丝随着弹性体的变形发生同
的测量电路,把电阻变化转换为电信号输出,从而完样的变形(伸长或者缩短),电阻栅丝的长度变化导致
成将重力转换为电信号的过程。
电阻发生变化,再通过测量电路转换为电信号。如果
由以上原理可知,弹性体是应变式称重传感器的忽略应变片的精度,弹性体的变形理论上是完全反映
个基础部件,是一个有特殊形状的结构件,它的主在应变片的电阻栅丝的长度变化上的。因此,首先要
要作用是将力转换为形变。如果由于弹性体结构设确定应变片的贴片位置,从本质上讲,就是确定弹性
计不当,导致输入的力与产生的形変之间存在很大的体表面上所要研究的一条线段,在弹性体受力以后,
非线性,势必会影响整个传感器的线性度,继而影响这条线段的长度变化量与电阻栅丝的长度变化量是
电子衡器的测量精度。所以要求弹性体灵敏度高,并一模一样的。由于只有这条线段会与之后的传感器
且能够严格遵守虎克定律。
输出值产生关联,在有限元计算的过程中,只需要研
本文将弹性体作为研究对象,在 Ansys11.0软件究这一条线段就可以了,本文中称这条线段为考察应
中对其进行有限元分析。通过模拟其受力状态,首先力线。确定考察应力线位置的依据是要选择有足够
上海市(教委)重点学科建设项目(50503);上海市重点学科建设项目(S30504
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大的应变区,以使传感器有相当的灵敏度。
蓝色区城
1.1初步计算
本文所研究的弹性体类型为力反馈的双弯曲梁。
其三维实体模型如图1所示,由于考虑到实际的加载
情况,故将两端的孔堵住并伸出5m以便做约束和加
载力,修改后的模型如图2所示。
红色区域
颜色突变区
图3弹性体应变云图侧视图
图1弹性体三维实体模型
图4弹性体应变云图俯视图
加载面
12、3和4号考察应力线,其中1号与3号处的应变
是对称的,2号与4号处的应变也是对称的。应力线
长度为3mm,距离上平面8mm。设置四条考察应力线
约束面
是为了更好地接近测量的实际情况,最后四条考察应力
线中线性度数值最大的值即为这个弹性体的线性度。
图2修改后的模型
2弹性体线性度计算
弹性体的材料是40Cr,其基本特性如表1所示。
经过初步计算,得到了考察应力线的位置,其实
表140Cr的基本特性
就是确定了下一步计算的研究对象。下一步的研究
材料名称弹性模量x10/(N?m-2)泊松比
2.11
0.277
目标就是计算该弹性体的线性度。
2.1研究方法
对弹性体进行网格划分。由于在此处只是要得
弹性体的许用范围是50~200kg,分别加载50
到整个弹性体的应变分布情况,以便确定考察应力100kg、150kg和200kg,即490N、980N1470N和1960N
线,所以适当地将网格尺寸画得大些,这样可以减少的力,进行有限元计算,得出考察应力线在不同载荷
计算时间,同时不影响考察应力线的选择。
大小的作用下产生的伸长或压缩量。以载荷大小为
模型的加载和约束比较简单,两端伸出的端面分横坐标,考察应力线的变形量为纵坐标,得到一条曲
别是约束面和加载面。选定一个端面,约東其全部的线,最后计算其线性度。
自由度,另一端面上加载一个面载荷,大小为50kg。
由于在 Ansys软件的后处理中只有对单元或者节
初步计算的整个过程在 Ansys Workbench软件中进行。点可以得到弹性体的位移,对于一条线段是无法直接
确定考察应力线位置
求得其变形量的。所以,研究考察应力线的变形量要
经过计算以后,得到弹性体应变云图侧视图和俯用有限元的思想来解决。将考察应力线等分成30份,
视图,如图3和图4所示。
即每一段长度为0.1mm。在后处理时,分别选取考察
从图3和图4中可以清楚地看到模型受力后应变应力线上31个节点在计算前的坐标xy、x和计算后
较大的区域。在此处,设置四条考察应力线,分别为在X、、Z方向上的位移Uム、,U。通过式(1)ー式
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