ANSYS傳感器設計中的應用

2013-06-20 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 何學科來源: 萬方數(shù)據(jù)
關鍵字: 鋼軌傳感器應變有限元 ANSYS

把有限元分析軟件ANSYS引入鋼軌傳感器的設計應用之中,在力學分析的基礎上,建立有限元分析模型以及邊界約束條件模型,得到彈性體—鋼軌的強度極限和應力、應變變化形態(tài)等信息,為設計和制造高精度的鋼軌傳感器提供可靠的理論依據(jù)。

鋼軌傳感器是近年來發(fā)展起來的一種電容式傳感器,可以用在軌道衡上進行稱重,稱為稱重傳感器,也可用來測量鋼軌的溫度應力,它因有精度高、結構簡單、安裝維護方便的優(yōu)點,迅速得到了應用.在進行傳感器的設計時,多數(shù)仍是利用簡化的材料力學公式進行粗略的計算,然后通過試驗修正參數(shù),即產(chǎn)品的最終定型以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)。采用這種設計方法時,產(chǎn)品設計和開發(fā)的周期較長,產(chǎn)品的質(zhì)量也難以提高。而利用有限元分析技術;,則可以對傳感器的結構進行確的計算,對應力場以及應變的分布狀況和具體數(shù)值、貼片位置的合理性等情況作較全面的了解和預測,從而可以為設計提供可靠、有效的技術支持。

    有限元分析在鋼軌傳感器中的主要應用在以下幾個方面:

    1)設計變截面的鋼軌中,可以用來計算校核鋼軌的強度和剛度,保證運營安全;

    2)可以計算出鋼軌腹板上應變變化最大的區(qū)域,在這個區(qū)域粘貼應變片,提高傳感器的反應靈敏度;

    3)可以計算出在粘貼應變片的方向,應變的變化趨勢和具體數(shù)據(jù),可以為傳感器設計做有益的參考.

本文把有限元分析軟件ANSYS引人鋼軌傳感器的設計應用之中,在力學分析的基礎上,建立有限元分析模型以及邊界約束條件模型,計算出鋼軌的強度極限及確定應力、應變變化的范圍,為設計和制造高精度的鋼軌傳感器提供可靠的理論依據(jù)。

1 鋼軌傳感器剛度和強度計算

選用60 kg/m的標準鋼軌來做傳感器的載體,材料為普通鋼軌鋼,材料主要參數(shù)如表1。鋼軌在受到車輪壓力后,由于兩端被枕木支撐,鋼軌相當于簡支梁。在鋼軌的下方產(chǎn)生拉應力,在上方產(chǎn)生壓應力,在截面上產(chǎn)生剪應力。在不考慮扭轉(zhuǎn)時,軸向應力。與應變二的關系為

σ=Eε(1)

式中:σ為應力,Pa;ε為應變,μm; E為鋼軌彈性模量,GPa.

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表1 60Kg/m鋼軌材料主要參數(shù)

本文采用參數(shù)化建模型的方法,鋼軌截面模型比較復雜,使用AUTOCAD軟件繪制后,導出類型為*. sat文件,然后按照操作:file/import/satfile從AUTOCAD中導人截面圖形,再對其進行合理的規(guī)劃后分成網(wǎng)格,如圖1所示.對截面做拉伸操作后就可以得到三維的網(wǎng)格圖形.鋼軌路基為整體式結構,為了簡化計算,假設鐵路基礎、扣件和墊層為剛性體,對鋼軌施加約束條件.輪重壓力加載位置在跨度的中點,載荷均勻加載在軌頭中線節(jié)點上.結果如圖2.

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    然后進行靜態(tài)的求解運算,只考察垂直方向的受力,不考察鋼軌的扭轉(zhuǎn)和橫向力,計算結果如下:

    最大撓度L =0.098 mm;

    最大應力σmax=230. 7 MPa

根據(jù)材料力學的強度校核理論,由計算結果可以看出,σmax<[σ],所以鋼軌是安全的.為了增大檢測段的長度而拉大跨度或者改變鋼軌界面形狀時,也可以用這種方法方便快捷地來校核鋼軌的強度.

2 預測應變最大區(qū)域和應變變化趨勢

采用上面所用的鋼軌類型不變,為了更詳細的觀察鋼軌腹板上的應變變化趨勢,取幾個不同的載荷工況來做計算分析,載荷加在鋼軌的中間一個跨度上,載荷位置按車輪中心與所取鋼軌中跨段端面的距離z的變化從左至右來計,分成如表2的5種不同的工況.

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表2不同工況與載荷位置關系

取中跨段腹板中性線上下兩側(cè)距離中性線為5mm位置處直線上的節(jié)點來考察等效應變值的變化趨勢,并依此為進一步分析的依據(jù).在彈性體上、下兩個位置的應變絕對值曲線分別圖3和圖4,通過曲線可以看出該傳感器貼片區(qū)的適當位置和變化數(shù)值范圍.

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圖3上貼片位置沿線的應變變化

由圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn),在距離兩端各約為120 mm的位置處,應變變化的范圍最大.如果在此處粘貼應變片,可以得到最大的輸出信號.進一步研究發(fā)現(xiàn),上下應變片的應變變化值(只要按照對稱的位置來粘貼)基本相等,并且在載荷位置發(fā)生變化的時候,應變片的變化量也是基本相等的.可以把對稱位置的應變值取出如表3.

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表3選定位置處的節(jié)點應變值

    根據(jù)全橋電路的工作原理,電橋電路的輸出公式為:

    uo=uixkx(ε1-ε2-ε3+ε4)/4

    式中:ε1,ε2,ε3,ε4為貼片處個應變測得的應變值;

    k—應變片的靈敏系數(shù);

    ui—電橋的輸入電壓;

    uo—電橋的輸出電壓.

根據(jù)上面的公式和計算數(shù)據(jù),假設激勵電壓15V,應變片靈敏系數(shù)為2.2,對應變信號做1000倍的放大后,計算出輸出電壓值,然后對結果進行線性擬合,得出下面的擬合曲線如圖5.

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圖4下貼片位置沿線的應變變化

圖5是隨機采集的5個單點的樣本擬合曲線,從這些試驗數(shù)據(jù)來看,采用這樣的方法來設計傳感器,可以得到基本上準確的輸出信號,而且只要采集的樣本量達到一定的要求,采用合理的處理技術,完全可以預測出應變變化的情況和電壓輸出信號的線性程度.這個圖像基本顯示了傳感器電壓變化的趨勢,即由小變大,接近維持不變一段時間(距離),然后漸漸減小的過程.

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3 結論

本文采用有限元分析軟件ANSYS對鋼軌傳感器的受力變形和指定位置處的應變變形分析計算可知:

    1)可以很方便快捷的校核鋼軌的強度.

    2)在粘貼應變片的時候,應選定應變變化最大的位置(距離兩端各約120 mm處)來做粘貼應變片的中心位置.

    3)可以確定出最大應變值和最小應變值之間的變化范圍,據(jù)此可以在選擇應變片型號的時候做參考.

    4)在設計惠斯頓橋電路物時候,只要事先知道電阻變化的范圍和極值,就可以通過樣本擬合曲線知道電壓或者電流信號的變化范圍和極值.

本文主要的意義在于可以為傳感器的設計提供有益的參考,突破了傳統(tǒng)的設計一制造一試驗的研究框架,從而提高了設計質(zhì)量,縮短了設計時間.總之,把有限元分析軟件ANSYS引進傳感器設計應用中,是使傳感器設計走向高效、智能化的有效途經(jīng).

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