應變式三維加速度傳感器彈性體結構的優化設計

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構參數對彈性體靈敏度和固有頻率的影響,達到了優化彈性體結構的目的,提高了傳感器動、靜態特性。

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生彈性變形,通過貼在相應敏感區的應變片測出敏感區的應變大小,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、動態標定獲得的加速度輸人信號與傳感器輸出電信號的數量對應關系,最后得到被測物體加速度信息。所以彈性體結構設計的優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構如圖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的彈性元件,不同的剪切應變區對應測量由不同方向加速度產生的慣性力。將該結構分為A,B和C三個變形區域,A,B區域為孔間薄壁,C區域是中間的環形薄壁。由丁只需測取三維加速度矢量,所以只用到了剪切應變區.A區和C區。A區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區有A個敏感區域,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構,它的結構尺寸對傳感器動、靜態性能產生很大影響。如果對不同的結構尺寸進行任意組合,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構參數對彈性體性能的影響,對其結構進行了優化。
   

    2有限元分析模型
   
本文選用SolidWorks軟件對彈性體創建幾何模型,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構上的物理條件,既包括施加到結構外部或內部的力或其它載荷,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。最后進行網格劃分,進行有限元分析時,網格越密集計算結果一般越精確。網格劃分中其網格參數包括全局要素和公差,此彈性休模型的網格參數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。
    

    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構參數即彈性體薄壁厚度,孔間薄壁的高度,圓環的高度,孔與薄壁對應的弧長比作為因素。
   
    3.2水平的確定
   
    根據實際選取每個因素的水平數為4,每個因素按照相同的幅度遞增。見表1.
   

    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了相同的次數,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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