基于有限單元法的汽車稱重傳感器.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-文章編號：1006-0871(2006)01-0063-05基于有限單元法的汽車稱重傳感器段國元1，蘇清祖1，趙世婧1，胡國偉2（1.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.長寧區(qū)質(zhì)量技術監(jiān)督局標準計量科，上海200052）摘要：分析集成化稱重板式輪重秤的設計原理，提出采用輻板式稱重傳感器作為動態(tài)稱重系統(tǒng)壓力元件的設計方案，重點闡述利用有限元軟件進行傳感器敏感元件模型設計、網(wǎng)格劃分、施加載荷與邊界條件的過程；根據(jù)敏感元件的應力分布規(guī)律，找到應變片的布片規(guī)律和具體位置，組成全橋差動電路，使車輛輪胎載荷作用在秤臺平面的不同區(qū)域均可以測出其準確重量.通過傳感器的動態(tài)響應試驗分析其頻率響應特性.關鍵詞：稱重傳感器；有限元；抗偏載；頻率響應中圖分類號：TP212.12；O241.82文獻標志碼：AAutomobileweigh-in-motionsensorbasedonfiniteelementanalysisDUANGuoyuan1,SUQingzu1,ZHAOShijing1,HUGuowei2(1.SchoolofAutomobileandTrafficEng.,JiangsuUniv.,ZhenjiangJiangsu212013,China；2.StandardMetrologyOffice,ChangningBureauofQualityandTechnicalSupervision,Shanghai200052,China)Abstract:Basedonanalyzingthedesignprincipleofintegratedweighingboardstyletyreweight,theschemethattheloadcellofweigh-in-motionsystemisdesignedbyusingspoke-boardtypeweighingsensorisproposed.Theprocessofusingfiniteelementsoftwaretodealwithsensororganmodeling,meshing,loadingandboundaryconditionisexpatiated.Accordingtothestraindistributingruleofsensororgan,theslicesdisposalandlocationarefound,andthecompletebridgedifferentialcircuitiscomposedtomeasurethepreciseweightoftyreloadwhichmayactonthedifferentareasofweighingboard.Dynamicresponseexperimentisdonetoanalyzethecharacteristicofthefrequencyresponse.Keywords:weighingsensor；finiteelement；load-deflectionresistance；frequencyresponse0引言便攜式動態(tài)稱重系統(tǒng)是便于路政和交通部門進行車輛載荷監(jiān)測和交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計的重要輔助手段.壓力元件式稱重傳感器是動態(tài)稱重系統(tǒng)的核心部分，其過載能力、抗偏載能力、動態(tài)響應特性直接決定整個動態(tài)稱重系統(tǒng)的工作性能與測量收稿日期：2005-10-25；修回日期：2005-12-07作者簡介：段國元(1982-)，男，山東日照人，在讀碩士，主要研究方向為智能交通系統(tǒng)，(E-mail)64計算機輔助工程2006年表1添加關鍵點數(shù)據(jù)列圖3輻板式稱重傳感器精度.該傳感器的設計要求有：（1）一定的過載能力（通常為額定量程的150%）；（2）輪胎載荷作用在秤臺不同位置時，應變片測量區(qū)應變總和控制在允許誤差5%之內(nèi)；（3）動態(tài)響應特性應使其能夠真實地反映輪胎動態(tài)載荷.1稱重傳感器的敏感元件設計傳感器的敏感元件應盡量降低高度，以減小汽車稱重時因各輪不在同一水平面引起的測量誤差，滿足稱重系統(tǒng)的便攜性要求.輻板式壓力傳感器具有外形低、量程大、靈敏度高和動態(tài)響應特性好等優(yōu)點，適合汽車稱重系統(tǒng)測量速度快、既可以靜態(tài)又可以動態(tài)測量的要求.1.1秤臺與稱重傳感器一體的稱重儀基本測試原理：動態(tài)稱重儀通過貼在秤臺底部的應變片測量秤臺底部中心線處幾個離散點的應變,由此推算出壓在秤臺上車輪的重量及整個車輛的重量，結構和貼片見圖1.1設計目標是一定重量的車輪壓在秤臺上任何位置，秤臺中心線處所有應變片的應變之和為常數(shù)（允許誤差在5%以內(nèi)，中心線處各點的應變值見圖2）.具體設計過程：將車輪對秤臺的壓力看作一個均布面荷載.加載時，按一定步長（1cm）從端部到中部移動加載位置,計算載荷作用在秤臺不同位置時貼片區(qū)域的應變.貼片時，按兩端密中間稀的方式大概估計應變片的位置,并且預先規(guī)定應變片的位置變化范圍.所有的應變片以微小步長在其各自允許的變化范圍內(nèi)從一邊移動到另一邊來調(diào)整位置,直到滿足設計指標為止.此種結構的優(yōu)點是結構簡單、外形低、重量輕，便于攜帶.但是為保證各應變片應變總和的變化誤差在一定范圍內(nèi)，若有m個應變片,每個應變片在允許變化范圍內(nèi)移動n步,那么就會有nm次運算，顯然計算量大、調(diào)整時間長.并且其冷熱加工要求高，難度大，由于應變片布置在敏感元件的外表面，電阻的防護與密封難度大，系統(tǒng)還需要采取溫度補償措施.1.2超薄形輻板式稱重傳感器（1）實際傳感器敏感元件的幾何模型見圖3，若干數(shù)目的稱重傳感器嵌入秤臺板面的盲孔內(nèi)，形成秤臺與稱重傳感器組裝式低外形便攜式輪重秤.采用由底向上的建模方法2，先創(chuàng)建關鍵點，可以先在Excel中創(chuàng)建其坐標（見表1），再根據(jù)創(chuàng)建關鍵點命令“K”添加其余數(shù)據(jù)列.在ANSYS環(huán)境下，將關鍵參數(shù)定義為變量，由于坐標之間滿足一定的幾何關系，修改模型時只需修改幾個關鍵參數(shù)，如輻板厚度、貼片區(qū)域的直徑、支承約束的高度等，系統(tǒng)重新自動生成滿足該幾何關系的其他參數(shù)，便于形成傳感器的參數(shù)化設計，這在產(chǎn)品系列化設計中尤為重要.創(chuàng)建關鍵點關鍵點編號X坐標Y坐標k100.005k20.0350.005k30.0350.002k40.0370.002圖2秤臺中心處各點應變值應變X圖1集成化稱重板輪重秤結構第1期段國元，等：基于有限單元法的汽車稱重傳感器65k50.0370k60.0550k70.0550.013k80.0570.013k90.0570.015k100.02250.015k110.02250.018k120.01410.018k130.01250.0176k140.01250.014k1500.014（2）連接線生成傳感器截面.需要對該截面進行四邊形劃分（見圖4），目的是該截面掃掠形成實體后，便于對其進行六面體網(wǎng)格劃分（單元類型為Solid45），以保證網(wǎng)格幾何質(zhì)量和計算精度.網(wǎng)格劃分后的實體見圖5.（3）施加載荷與邊界.由于其支承面與地面直接接觸，施加全約束（u,v,w,x,y,z）.載荷施加面為球冠面，主要是在秤臺盲孔形成自適應定位，減少動態(tài)干擾載荷的影響，保證載荷始終垂直于接觸面，提高稱重傳感器的動態(tài)測量精度.其自適應定位原理見圖6.將一定數(shù)量的載荷轉化為均布壓強施加到該球冠形接觸面.（4）按照默認設置設定求解類型與求解器（靜態(tài)Static，ProgramChosenSolver），最后定義單元表格（ElementTable），輸出徑向的應變值（x）和應力值（x），其中應變值見圖7.理想的應變分布應該為同心圓分布.圖示應變之所以在X和Y方向的梯度不一樣，是由于采用直角坐標系，觀察的方向是X方向彈性應變（x）.所以X方向應變梯度就是徑向的應變分布梯度.2過載能力與抗偏載能力評估2.1通過應變應力分布圖分析傳感器的過載與偏載能力圖7給出傳感器的貼片區(qū)域應變分布云圖.應變片貼在敏感元件底部盲孔的底面，沿半徑方向分內(nèi)外兩層.外層區(qū)域靠近傳感器支承區(qū)域，應變性質(zhì)為壓應變，承受的最大應變值為740，相當于153MPa的應力；靠近中間圓心區(qū)域最大應變值為750，應變性質(zhì)為拉應變，相當于155MPa的應力.應變片沿徑向方向粘貼.通常敏感元件材料選用合金鋼（如35CrMnSiA，0CrVA），調(diào)制處理后的屈服極限遠大于該應力值，說明該傳感器實際量程應該大于10t.由于該拉壓應力是該貼片區(qū)域的最大拉壓應力，因此若將承受壓應變的應變片貼在偏離外緣支承一定間距的區(qū)域，承受拉應變的應變片貼在偏離圓心一定間距的區(qū)域，便可確保實際量程大于10t.此時的貼片區(qū)域最大應變?yōu)?00，材料的彈性極限為1080（30CrMnSi），則過載能力為1(1080600)/600180%.圖6動態(tài)稱重系統(tǒng)自適應定位原理應變狀態(tài)臺面中心線臺面中心線加載狀態(tài)加載位置空載位置圖710t稱重傳感器貼片區(qū)域應力分布規(guī)律圖4稱重傳感器敏感元件截面分割為四邊形圖5稱重傳感器敏感元件實體網(wǎng)格劃分66計算機輔助工程2006年圖9稱重傳感器抗偏載貼片方案圖810t偏載情況下貼片區(qū)應力等高線分布稱重傳感器抗偏載能力的評估方案如下：圖8是稱重傳感器外部施加10t載荷偏載到1/3支承面時，敏感元件貼片區(qū)域的應變分布等高線圖.應變片貼片區(qū)域內(nèi)，外部載荷所偏向的一側區(qū)域的應變值明顯增大，右側靠近支承邊緣區(qū)最大壓應變接近1100，而左側壓應變?yōu)?00左右，但其平均壓應變?yōu)?50.受拉應變的規(guī)律也如此.該平均壓應變同載荷未偏載時的拉壓應變（分別為750，740）相比，變化量很小.由此，可以采用將中心對稱的兩片承受相同性質(zhì)的應變片串聯(lián)組成一個橋臂，這樣可以明顯提高傳感器的抗偏載能力.實際稱重傳感器產(chǎn)品的靜態(tài)偏載試驗驗證了該方案的可行性.2.2提高傳感器抗偏載能力的組橋方案如圖9所示，在敏感元件底部盲孔的底面貼片區(qū)域，采用集中貼片，將關于中心對稱的相同性質(zhì)的兩應變片串聯(lián)作為差動電橋的一個橋臂，拉壓橋臂組成差動全橋電路，見圖10，可提高貼片的效率和準確率，有效減小偏載的影響程度.由全橋差動電路可知，只要受拉應變片和受壓應變片的電阻變化與外部載荷成正比（通過有限元分析可以驗證），則傳感器的線性度可以很高，不必保證受拉應變變化量與受壓應變量相同，即不需要31RR.采用全橋差動電橋，靈敏度比單臂電橋提高4倍，且溫度效應消除.圖11中，（a）給出貼片區(qū)應變單元分布位置，共計在12個單元位置布置8片應變片（水平方向應變片貼在水平方向上下兩單元的對稱中心線上），無偏載情況見圖（b）（陰影區(qū)域為載荷作用區(qū)域），載荷偏載到1/3作用區(qū)域見圖（c）.無偏載與偏載工況下單元的應變情況見表2.表2中拉應變片與壓應變片標號與圖11中貼片一一對應.拉應變片和壓應變片在偏載與非偏載情況下，由于采用對稱貼片方法，可有效