1、基于 ProE 和 ANSYS 的弯曲梁弹性体有限元分析研究Science=TechnologyplicatiQn.【文章编号1003-5729(2007)SO-0017 一 O3基于 Pro/E 和弯曲梁弹性体有宁波柯力电气制造有限公司金建交,郑 l,伟健雄职业技术学院茹秋生【摘要】利用 Pro/E 强大的设计功能实现了ILF150kg 弹性体的三维建模,然后通过 Pro/E 与 ANSYS 的连接,可运用有限元方法对弹 J生体进行应力分析.【关键词】弹 I 陧体;三维建模;有限元;应力分析【中图分类号】TH715.1;TH703.1 【文献标识码】BAnalysisandresearcho
2、fcurvedbeamelasticsolidfiniteelementbasingonPro/EandANSYSAbstract:Thethree-dimensionalmodelingofILF150kgelasticsolidisrealizedbyusingthestrongdesignfunctionofPro/EThen,bymeansoftheconnectionofPro/EandANSYS,thestressanalysisofelasticsolidCanbedonebyfiniteelementanalysis.Keywords:elasticsolid;three-di
3、mensionalmodeling;finiteelement;stressanalysis1 引言弹性体是称重传感器的核心,其设计和制造将直接影响传感器的各项性能和可靠性.目前,在进行称重传感器的设计时,大多仍停留在利用简化的材料力学公式进行计算的水平,其计算结果有很大的近似性,只能作为粗略的估算.此外,对于复杂结构,传统的简化力学模型法要作大量繁琐的理论推导,甚至无法计算.为了进行精确的计算,并对传感器弹性体的结构设计,应力场的分布状况和变形状态,贴片位置的合理性等情况有一个比较全面的了解,利用先进的计算机辅助设计手段有限元法对传感器工作状态进行分析是十分必要的,也是十分方便的.Pro/E
4、 具有强大的建模功能,虽然它也有 CAE模块,但 Pro/E 在这方面的功能比起专业的 CAE 软件还略有不足,ANSYS 是一款大型的通用 CAE 软件,其分析功能强大,有自己的建模模块,但是在某些复杂形状的建模时,其建模功能比较繁琐,甚至难以胜任.因此,一个可行的解决方法是将两者之长处结合起来,先在 Pro/E 中建模,然后在 ANSYS 中进行分析.本文以公司 ILFl50kg 钢制双梁弯曲结构的传感器弹性体为例,简要说明有限元分析方法在称重传感器设计中的应用.2 弹性体实体模型建立及简化在 Pro/E 软件中,通过拉伸,旋转,孔特征等建立如图 1 弹性体特征.在实际使用状况中,其左端下
5、部用螺钉固定在平台上,右端上部用螺钉固定称重托盘.应变计贴于上下半圆的最薄弱处,模型较多的是孔特征,可简化模型,这样有利于网格划分和计算的简便,既可提高运算速度,也可提高计算精度.简化力学模型,去除无关的或者影响小的尖角孔等特征,简化后如图 2.简化后转化原来的毫米牛顿秒为国际制单位? 米? 千克?秒,然后将模型导入 ANSYS软件进行下一步分析.誊年第慧器专刊誊年卷慧霉刊图 1ILF150kg 弹性体王维模型图图 2ILF150kg 弹性体简化三维模型图2.1 结构分析该传感器弹性体为典型的双弯曲梁结构,其检测信号为卜下梁最薄弱处表面的沿长度方向的最大正应力.因此,只需要通过有限元模拟方法得
6、出梁上下表面沿长度方向(图 3 中的 x 方向)的应力分布情况即可.图 3 导入 ANSYS 的弹性体模型图2.2 有限元分析的前处理2.2.1 单元类型确定为提高模拟的准确性,本文采用十节点等参数实体元素单元 Solid92.2.2.2 材料属性的定义对于本例只是简单的静态力学分析,因此只要定义弹性体的弹性模量(E)和泊松系数() 即可.对于 40CrNiMoA,上述两参数分别为 2.1410“Pa.% IScience-Technologyplication和 0-3.2.23 网格划分先对贴片的两个表面进行表面网格细划分,再进行智能网格划分,结果如图 4 所示.图 4J 碉格划分后的弹性
7、体模型图2.2.4 边界条件的确定根据该传感器的实际应用情况,弹性体的左端下表面用螺钉固定在平台上,从而限制了下表面各点在 x 和 Y 方向的位移,应将左端的 x,Y 和 z 的位移(displacement)设定为零 ;弹性体的右端上表面方向受载,因此在模拟前处理时将载荷 force)平均加载于此面(实际上,对于双梁部位,该处理方法与将载荷集中在承载面的几何中心效果相同).3 计算结果的分析3.1 弹性体变形状态的分析图 3 为弹性体的总体变形图及沿长度方向正应力的分布情况.由图可以看出,当传感器承受压力后,将产生垂直方向的位移,最大位移在右端面,双梁部位的沿 x 方向的最大位移(变形)和正
8、应力位于梁的最薄弱处,从而验证了在此处贴单直片的正确性.图 5x 方向应力变形云图Science-TechnologyApplicationj表 1 贴片面关键点的应力峰值应力(Pa) 位置上拉上压下拉下压数值 3.54x10-3.41X103.52x103.45x103.2 弹性体应力分布及结论图 5 为弹性体双梁部位下表面沿 x 方向正应力的分布图,表 1 为弹性体贴片面关键点的应力值.由图表及分析可以看出:3.2.1 弹性体的应变是上表面左拉右压,下表面反之,这为组桥提供了直观依据.3.2.2 靠近固定端贴片处表面 X 方向的应力数值均大于另一侧贴片处表面 x 方向的应力.3.3.3 贴
9、片面的最大应力并不在双连孔各孔过圆心的铅垂轴线上,而是分别向两侧(外侧)偏移了0.6mm 左右,这和原太原工学院对双孔平行梁称重传感器进行的光弹性试验相符.而应变片的位置是在双连孔各孔过圆心的铅垂轴线上,这样有可能引起较大的滞后和非线性,以及附加的零漂,蠕变,同时也降低了灵敏度,从而影响传感器的测量精度.这说明以前我们对于双梁结构传感器的贴片位置(双连孔各孔的铅垂轴线)并非最佳.建议以后贴片时有所改进.3.3.4 弹性体在满量程作业,150kg 压力作用下,最大应力为 4.0610Pa,即 406MPa,远小于40CrNiMoA 屈服极限 850MPa,满足强度要求.(上接第 3 页)是四线制
10、或是六线制,应硬性规定其线的颜色(红黄兰绿白黑) 为指定的输出与输入及极性,无需用户再测量.5.传感器的额定载荷的标准化与系列化,即 110“kg,210“kg,510“kg,同时与电子秤的额定载荷标准化配套.传感器标准化的内容还应该有很多.在衡器范围内,称重仪表也存在同样问题,国外厂家仪表白成系统,各有各的内涵,也不可能规范和统一,而国内称重仪表厂家尚有规范的可能,一些仪表骨干企业在所生产的仪表标识上力图规范,力图统一,给用户于方便,也展现了该企业的文化素质.我国已经成为世界上称重传感器的生产大国,也成为传感器产品的输出大国,传感器产品标识的0 羲謦 0lj 毫_t 斑薯|eI 毫鬣 ll
11、一 j|_毒量薯.强 l 墨 lIl|毫(5)贴片处的应变峰值为 1655 个微应变,远小于应变计的量程,可知应变计在弹性范围内.冀4 结语 l通过上面的事例,说明基于 Pm/E 建模 ANSYS.分析来对应变式传感器弹性体进行辅助分析设计是.i 誊非常有用的,既能给人一种比较直观的分析效果,也._能得到比较精确的分析结论,能够使设计人员从繁 j杂而又重复的设计计算中解放出来,更不用通过多次试制样品来进行试验,加快了产品设计效率,缩短了研发周期,是一种非常有效的虚拟设计辅助手段.参考文献:【1袁希光 .传感器技术手册【M.国防工业出版社,1992.【2曹立平 .中国衡器使用技术手册【M.中国计
12、量出版社.2005.【3李云波 .电动力补偿式称重传感器弹性体有限元分析及设计方法研究【D.西安理工大学,2006.4李浩月.ANSYS 工程计算应用教程【M.中国铁道出版社.20o3,5马晓明.对用 Pro,E 建模 ANSYS 做分析时导入模型问题的研究J】.机械研究与应用,2004,12.(作者通讯地址:宁波市江北投资创业园 C 区长兴街 199 号邮政编码:310033收稿日期:20070917)规范,传感器的标准化和系列化就更显其必要性.作为传感器产品标识的统一规范更有利于其流通,设计选型,应用维修,仓储管理,更呈显其高的企业文化素质.优质的传感器产品和较高的传感器生产企业的企业文化,才无愧于传感器生产大国,而只有统一才更有力量.参考文献:【1叶庆秦 .称重仪表系列化初探 fJ1_中国仪器仪表学会举办的全国第一届测力称重技术研讨会,1982 年,太原.(作者通讯地址:鞍山市铁东区正义街 4357邮政编码:114003收稿日期:20071002)暑年第36卷传感器专刊
