第三章 圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器結構設計

3.2圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器三維建模

圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器的三維結構模型如圖3.1所示

 

圖3.1 Pro/E三維模型

圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器結構設計三維建模過程如下：

（1）打開Pro/E三維制圖軟件，打開新建模型對話框，選擇類型為零件，實體模型，對建立的模型重命名后，采用缺省模塊，點擊確定進入軟件編輯視圖區，如圖3.2所示。

 

 

圖3.2 Pro/E新建模型對話框

（2）進入Pro/E建模草繪編輯區，如圖3.3所示，根據操作方便性和模型特征選擇草繪平面為TOP平面，參照平面RIGHT平面，其他采用默認設置。

 

圖3.3 Pro/E草繪設置對話框

（3）草繪圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器底座圓盤的圓盤結構，如圖3.4所示，利用圓形和直線剪切得到草繪平面，圓盤直徑94mm，方形結構長88mm，寬90mm。

 

 

圖3.4 底盤草繪平面

（4）繪制好特征草圖后，利用拉伸功能按鈕，拉伸按鈕里面具有參數選擇的功能，可以設置厚度，選取不同類型尺寸的生成，調整拉伸方向，設置厚度32mm，將中心部分挖去一部分模擬貼片處，使用草繪、拉伸去除材料。其拉伸后生成的圓盤模型如下圖3.5所示。

 

 

圖3.5拉伸幾何模型

（5）草圖繪制側面的螺紋孔20mm以及對稱S型槽，通過拉伸命令，選擇去除材料，最后通過倒圓角命令得到圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器底座圓盤模型結構，如圖3.6所示。

 

 

圖3.6 圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器底座圓盤模型結構

（6）本文研究圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器彈性體的結構不同對應的應變片貼片位置處的應力變化情況分析，因此針對結構的設計，調整模型S型槽的寬度為4mm、6mm、8mm、10mm，如圖3.7所示。另外對上下側螺紋孔的直徑設計為12M、16M、20M、24M，如圖3.8所示。

    

（a）S槽4mm模型                      （b）S槽6mm模型

 

    

（c）S槽8mm模型                      （d）S槽10mm模型

圖3.7 不同寬度S槽模型結構

 

     

（a）螺紋孔M12模型                      （b）螺紋孔M16模型

     

（a）螺紋孔M20模型                      （b）螺紋孔M24模型

圖3.8 不同直徑螺紋孔模型結構

 

3.3 本章小結

本章節通過對圓柱S型電阻應變片式荷重傳感器以及彈性元件的結構了解與研究，利用Pro/E三維制圖軟件圓盤S型應變片式荷重傳感器的彈性體結構進行了結構設計，學習了三維軟件Pro/E的操作步驟和很多操作命令，完成了產品的結構設計和三維模型的建立，并進行不同結構的產品設計，為下一章節圓柱S型電阻應變片式荷重傳感器的結構不同對應的應變片貼片位置處的應力變化情況有限元分析提供模型支持，在Pro/E軟件中保存ANSYS軟件支持的文件格式，保存X_T格式的副本文件，將設計的三維模型導入到ANSYS Workbench進行結構靜力學分析，通過用有限元軟件對彈性體施加載荷，并得出不同結構的應力情況。

第四章 圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器的有限元分析

4.3 圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器有限元計算

4.3.1模型導入

本文對圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器的結構設計為簡化設計，忽略對結構靜力學分析影響較小的倒角邊緣和其他結構，利用Pro/E軟件建立分析對象的三維模型，并對模型進行結構簡化，模型創建完畢后保存X-T格式副本幾何文件導入ANSYS Workbench中，選擇有限元軟件ANSYS Workbench靜力學分析模塊Static Structural，雙擊后會在Project Schematic出現一個簡化模塊，可以重命名編輯，如圖4-1所示。

 

圖4-1 ANSYS Workbench靜力學分析模塊

在靜力學模塊中A2單元依據設計采用的材料，在Engineering Data中設置材料屬性，常見材料屬性包括彈性模量、泊松比、密度等，另外也可以設置環境、溫度等其他信息。雙擊A2單元如圖4-2所示。

 

圖4-2 設置材料參數

設置完成工程數據后，利用ANSYS Workbench和三維設計軟件之間良好的兼容性，右擊A3單元從Geometry中將Pro/E中保存的X-T幾何文件導入ANSYS Workbench中，點擊Generate生成后的模型如圖4-3所示。

 

圖4-3 圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器彈性體三維模型

4.3.2設置材料屬性

 

圖4-4 彈性體材料屬性定義

圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器彈性體常用材料有合金鋼40Cr，35CrMnSiA，50CrVA，硬鋁LY12及超硬鋁LC4 等，本文選用40Cr，其基本力學性能參數為40Cr：彈性模量，泊松比μ=0.3，密度 。根據上節所設置的材料屬性，將材料屬性分別賦予不同的零件，如圖4-4所示。

4.3.3網格劃分

選擇Mechanical界面左側Outline中的Mesh選項，修改網格參數，將零件的Element Size設置為2mm，網格類型選擇六面體Hex Dominant Method，其余采用默認設置。單擊Outline中Mesh選項，選擇Generate Mesh命令完成網格劃分，其節點總數為292018，單元數量79287，查看生成網格的控制選項如圖4.5，網格單元大部分為六面體單元，網格劃分精度較高，最終生成的網格模型如圖4.6所示。

 

圖4-5 網格單元精度查看

圖4-6 彈性體網格模型

4.3.4定義邊界條件

在坐標系Coordinate Systems工具欄中右擊選擇創建局部坐標系，坐標系類型為笛卡爾坐標系，在中心圓孔處面上原點處建立兩個局部坐標系Coordinate System 1（0，16，0），Coordinate System 2（0，16，2），,兩個坐標位置用以模擬彈性體上應變片的貼片位置，Z軸2mm代表貼片長度，創建的連個個局部坐標如圖4.7所示。

在Model工具欄中選擇Construction Geometry選項，調出Construction Geometry工具欄，在其上選擇Path選項，創建路徑，從Coordinate System 1（0，16，0）到Coordinate System 2（0，16，2）如圖4-8所示。

 

 

圖4-7 彈性體上應變片的不同貼片位置

 

 

圖4-8 創建有限元路徑

在Environment工具欄中的Inertial選項中選擇Standard Earth Gravity，選中方向-Y施加重力加速度。在Environment工具欄中的Loads選項中選擇Force，選中彈性體的上表面作為施加載荷的面，輸入載荷2000N。打開Support選項，選擇彈性體下表面為Fixed Support固定約束，施加約束和載荷的模型如圖4.9所示

 

圖4-9 施加約束和載荷

 

4.3.5不同S槽結構對應變片貼片位置處的應力變化

針對S槽縫隙不同結構下的4mm、6mm、8mm、10mm建立的模型進行結構靜力學求解，求解模塊分別命名為S4、S6、S8、S10，如圖4.10所示，在Solution工具欄中的Stress選項中選擇等效應力Equivalent （Von-mises），再調出Equivalent （Von-mises）2，設置Scoping Method類型為Path，在Geometry中依次選擇Path，最后點擊Slove進行求解。

 

圖4-10 不同結構模型求解模塊

 

 

圖4-11 S槽4mm整體應力云圖

 

 

圖4-12 S槽4mm貼片處應力云圖

 

 

圖4-13 S槽6mm整體應力云圖

 

 

圖4-14 S槽6mm貼片處應力云圖

 

 

圖4-15 S槽8mm整體應力云圖

 

 

圖4-16 S槽8mm貼片處應力云圖

 

 

圖4-17 S槽10mm整體應力云圖

 

 

圖4-18 S槽10mm貼片處應力云圖

圖4.11~4.18為載荷2000N作用下不同S槽結構彈性體整體和貼片處的應力云圖，由圖可以看出，彈性體整體的最大應力分別為74.999MPa，67.932MPa，66.178MPa，69.561MPa，轉換為曲線圖顯示如圖4.19所示，且最大應力均位于圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器S型槽處，由應力集中導致并不能代表彈性體的整體受力狀況，實際貼應變片時在空心的彈性體圓柱上，也不會采集應力集中處的應力值。彈性體貼片處的最大應力分別為11.165MPa，11.077MPa，11.012MPa，10.95MPa。轉換為曲線圖顯示如圖4.20所示。

圖4-19 不同S槽結構整體應力曲線圖

圖4-20 不同S槽結構貼片處應力曲線圖

 

4.3.6不同螺紋孔結構對應變片貼片位置處的應力變化

針對螺紋孔直徑不同結構下的12mm、16mm、20mm、24mm建立的模型進行結構靜力學求解，求解模塊分別命名為M12、M16、M20、M24，如圖4.10所示，在Solution工具欄中的Stress選項中選擇等效應力Equivalent （Von-mises），再調出Equivalent （Von-mises）2，設置Scoping Method類型為Path，在Geometry中依次選擇Path，最后點擊Slove進行求解。

 

圖4-21 螺紋孔12mm整體應力云圖

 

圖4-22 螺紋孔12mm貼片處應力云圖

 

 

圖4-23 螺紋孔16mm整體應力云圖

 

 

圖4-24 螺紋孔16mm貼片處應力云圖

 

 

圖4-25 螺紋孔20mm整體應力云圖

 

 

圖4-26 螺紋孔20mm貼片處應力云圖

 

 

圖4-27 螺紋孔24mm整體應力云圖

 

 

圖4-28 螺紋孔24m貼片處應力云圖

圖4.21~4.28為載荷2000N作用下不同螺紋孔結構彈性體整體和貼片處的應力云圖，由圖可以看出，彈性體整體的最大應力分別為72.969MPa，74.424MPa，78.749MPa，85.696MPa，轉換為曲線圖顯示如圖4.29所示，且最大應力均位于圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器S型槽處，由應力集中導致并不能代表彈性體的整體受力狀況，實際貼應變片時在空心的彈性體圓柱上，也不會采集應力集中處的應力值。彈性體貼片處的最大應力分別為11.159MPa，11.44MPa，11.723MPa，12.009MPa。轉換為曲線圖顯示如圖4.30所示

圖4-29 不同螺紋孔結構整體應力曲線圖

圖4-30 不同螺紋孔結構貼片處應力曲線圖

 

4.3.7不同載荷大小對應變片貼片位置處的應力變化

在Project Schematic中選擇任務Static Structural 2000，利用Duplicate功能創建四個Static Structural任務，分別為Static Structural 3000、Static Structural 4000、Static Structural 5000、Static Structural 6000，由于ANSYS Workbench中的關聯作用，設置的約束載荷和模型幾何文件都會共享，物種在和條件下的模塊求解圖為4.16所示。在圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器測量量程范圍內，將其載荷值分別設置為3000N，4000N，5000N，6000N，其余設置保持不變進行求解。

 

 

圖4-31 不同載荷下五種求解模塊

 

圖4-32 3000N載荷下整體應力云圖

 

圖4-33 3000N載荷下貼片處應力云圖

 

 

圖4-34 4000N載荷下整體應力云圖

 

 

圖4-35 4000N載荷下貼片處應力云圖

 

 

圖4-36 5000N載荷下整體應力云圖

 

 

圖4-37 5000N載荷下貼片處應力云圖

 

 

圖4-38 6000N載荷下整體應力云圖

 

 

圖4-39 6000N載荷下貼片處應力云圖

圖4.32~4.39為2000N、3000N、4000N、5000N、6000N不同載荷作用圓盤S槽結構彈性體整體和貼片處的應力云圖，由圖可以看出，彈性體整體的最大應力分別為112.5MPa，150MPa，187.5MPa，225MPa，轉換為曲線圖顯示如圖4.40所示，且最大應力均位于圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器S型槽處，彈性體貼片處的最大應力分別為16.748MPa，22.33MPa，27.913MPa，33.495MPa。轉換為曲線圖顯示如圖4.41所示。

圖4-40 不同載荷作用下整體應力曲線圖

圖4-41 不同載荷作用下貼片處應力曲線圖

 

4.4本章小結

本章在前一章三維建模軟件Pro/E對圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器結構設計的基礎上，應用有限元軟件ANSYS Workbench建立了不同S槽寬度和不同螺紋孔直徑的圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器彈性體的仿真模型。分析了彈性體在量程范圍內不同載荷作用下整體應力和貼片模擬位置的應力值，隨著載荷的增大，貼片處的應力呈線性增大；對不同S槽寬度得到的結果，可以得知S槽寬度在過大過小都不利于圓盤S型應變片式電阻壓力傳感器的壽命使用，由整理應力圖和貼片處應力得出的結論是在S槽寬度4-10mm中間數值最佳；對不同螺紋孔直徑得到的結果，可以得知應力值會隨著螺紋孔直徑的增大而增大。