應變式三維加速度傳感器彈性體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計

2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

通過SolidWorks軟件建立應變式全剪切三維加速度傳感器彈性體有限元分析模型,用正交試驗方法全面分析主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對彈性體靈敏度和固有頻率的影響,達到了優(yōu)化彈性體結(jié)構(gòu)的目的,提高了傳感器動、靜態(tài)特性。

1 引言

彈性體亦稱彈性兀件,是應變式加速度傳感器的核心部分。工作時它受到被測物體加速度帶來的慣性力的作用而發(fā)生彈性變形,通過貼在相應敏感區(qū)的應變片測出敏感區(qū)的應變大小,建立起加速度信號和應變之間的確定關系,再通過精確的靜、動態(tài)標定獲得的加速度輸人信號與傳感器輸出電信號的數(shù)量對應關系,最后得到被測物體加速度信息。所以彈性體結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)劣對傳感器性能好壞至關重要。

應變式全剪切三維加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示,其彈性體是在薄壁圓筒上開尺寸和形狀相同但相互錯開45°的雙層孔,形成了帶有三層應變敏感區(qū)的彈性元件,不同的剪切應變區(qū)對應測量由不同方向加速度產(chǎn)生的慣性力。將該結(jié)構(gòu)分為A,B和C三個變形區(qū)域,A,B區(qū)域為孔間薄壁,C區(qū)域是中間的環(huán)形薄壁。由丁只需測取三維加速度矢量,所以只用到了剪切應變區(qū).A區(qū)和C區(qū)。A區(qū)4塊間隔900中心角的圓弧狀薄片,每徑向為一組,用于測取兩個水平方向的加速度。C區(qū)有A個敏感區(qū)域,選取其中4個用來測取軸向加速度。

此彈性體為一個軸對稱復雜結(jié)構(gòu),它的結(jié)構(gòu)尺寸對傳感器動、靜態(tài)性能產(chǎn)生很大影響。如果對不同的結(jié)構(gòu)尺寸進行任意組合,計算量太大且不能達到所需的目的。所以本文應用正交試驗設計,最大限度減少計算量,較全面分析了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對彈性體性能的影響,對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。

應變式三維加速度傳感器彈性體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計+學習資料圖片1

    2有限元分析模型

本文選用SolidWorks軟件對彈性體創(chuàng)建幾何模型,并用有限元進行分析。首先,為了提高傳感器靈敏度,取彈性體材料為硬鋁Y 12,材料特性:彈性模量E=7x10的10次方N/m·m,泊松比?=0.3,密度ρ=2700kg/m·m·m屈服極限σ=100MPa。加載斷謂載荷是指施加到結(jié)構(gòu)上的物理條件,既包括施加到結(jié)構(gòu)外部或內(nèi)部的力或其它載荷,也包括約束邊界條件)。在本文的分析中,我們對彈性體分別在水平方向和軸向施加了1N的力,對底面施加全自由度約束。最后進行網(wǎng)格劃分,進行有限元分析時,網(wǎng)格越密集計算結(jié)果一般越精確。網(wǎng)格劃分中其網(wǎng)格參數(shù)包括全局要素和公差,此彈性休模型的網(wǎng)格參數(shù)中設定全局要素大小為0.13mm,公差設定為全局要素大小的5%即0.065mm。網(wǎng)格劃分由討-算機自動完成,并在完成后白動進行分析。模型如圖2。

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    3正交試驗的設計

    3.1試驗指標和因素的選取

靈敏度和固有頻率是彈性體的兩個重要性能指標,實際中靈敏度和固有頻率存在矛盾,即靈敏度增加時固有頻率下降,所以單純強調(diào)靈敏度或是固有頻率都是沒有多大實際意義的。為了同時兼顧這兩項指標,在此我們增加了一項綜合性能指標,靈敏度和固有頻率的乘積,用W表示,即W=S·K。W值高說明其綜合性能好所以本文選取W值作為試驗指標。選取對這個指標影響最大的結(jié)構(gòu)參數(shù)即彈性體薄壁厚度,孔間薄壁的高度,圓環(huán)的高度,孔與薄壁對應的弧長比作為因素。

    3.2水平的確定

    根據(jù)實際選取每個因素的水平數(shù)為4,每個因素按照相同的幅度遞增。見表1.

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3.3 正交試驗表

由表1知這是一個4因素4水平的試驗,應選用L16 4*4*4*4*4型正交表,把4個因素依次放在表的前4列(第5列不要),把各列的水平和該列相應因素的具體水平對應起來,得到具體的試驗方案見表2。在整個16次試驗中,不同因素的各個不同的水平出現(xiàn)了相同的次數(shù),即水平和因素搭配都均勻,能全面代表256次試驗,較全面反映各因素各水平對指標的影響情況。

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