搜索应变式三维加速度传感器弹性体结构的优化设计
2013-06-23 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
通过SolidWorks软件建立应变式全剪切三维加速度传感器弹性体有限元分析模型,用正交试验方法全面分析主要结构参数对弹性体灵敏度和固有频率的影响,达到了优化弹性体结构的目的,提高了传感器动、静态特性。
1 引言
弹性体亦称弹性兀件,是应变式加速度传感器的核心部分。工作时它受到被测物体加速度带来的惯性力的作用而发生弹性变形,通过贴在相应敏感区的应变片测出敏感区的应变大小,建立起加速度信号和应变之间的确定关系,再通过精确的静、动态标定获得的加速度输人信号与传感器输出电信号的数量对应关系,最后得到被测物体加速度信息。所以弹性体结构设计的优劣对传感器性能好坏至关重要。
应变式全剪切三维加速度传感器结构如图1所示,其弹性体是在薄壁圆筒上开尺寸和形状相同但相互错开45°的双层孔,形成了带有三层应变敏感区的弹性元件,不同的剪切应变区对应测量由不同方向加速度产生的惯性力。将该结构分为A,B和C三个变形区域,A,B区域为孔间薄壁,C区域是中间的环形薄壁。由丁只需测取三维加速度矢量,所以只用到了剪切应变区.A区和C区。A区4块间隔900中心角的圆弧状薄片,每径向为一组,用于测取两个水平方向的加速度。C区有A个敏感区域,选取其中4个用来测取轴向加速度。
此弹性体为一个轴对称复杂结构,它的结构尺寸对传感器动、静态性能产生很大影响。如果对不同的结构尺寸进行任意组合,计算量太大且不能达到所需的目的。所以本文应用正交试验设计,最大限度减少计算量,较全面分析了主要结构参数对弹性体性能的影响,对其结构进行了优化。
2有限元分析模型
本文选用SolidWorks软件对弹性体创建几何模型,并用有限元进行分析。首先,为了提高传感器灵敏度,取弹性体材料为硬铝Y 12,材料特性:弹性模量E=7x10的10次方N/m·m,泊松比?=0.3,密度ρ=2700kg/m·m·m屈服极限σ=100MPa。加载断谓载荷是指施加到结构上的物理条件,既包括施加到结构外部或内部的力或其它载荷,也包括约束边界条件)。在本文的分析中,我们对弹性体分别在水平方向和轴向施加了1N的力,对底面施加全自由度约束。最后进行网格划分,进行有限元分析时,网格越密集计算结果一般越精确。网格划分中其网格参数包括全局要素和公差,此弹性休模型的网格参数中设定全局要素大小为0.13mm,公差设定为全局要素大小的5%即0.065mm。网格划分由讨-算机自动完成,并在完成后白动进行分析。模型如图2。
3正交试验的设计
3.1试验指标和因素的选取
灵敏度和固有频率是弹性体的两个重要性能指标,实际中灵敏度和固有频率存在矛盾,即灵敏度增加时固有频率下降,所以单纯强调灵敏度或是固有频率都是没有多大实际意义的。为了同时兼顾这两项指标,在此我们增加了一项综合性能指标,灵敏度和固有频率的乘积,用W表示,即W=S·K。W值高说明其综合性能好所以本文选取W值作为试验指标。选取对这个指标影响最大的结构参数即弹性体薄壁厚度,孔间薄壁的高度,圆环的高度,孔与薄壁对应的弧长比作为因素。
3.2水平的确定
根据实际选取每个因素的水平数为4,每个因素按照相同的幅度递增。见表1.
3.3 正交试验表
由表1知这是一个4因素4水平的试验,应选用L16 4*4*4*4*4型正交表,把4个因素依次放在表的前4列(第5列不要),把各列的水平和该列相应因素的具体水平对应起来,得到具体的试验方案见表2。在整个16次试验中,不同因素的各个不同的水平出现了相同的次数,即水平和因素搭配都均匀,能全面代表256次试验,较全面反映各因素各水平对指标的影响情况。
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