-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-文章編號(hào)：1006-0871(2006)01-0063-05基于有限單元法的汽車稱重傳感器段國(guó)元1，蘇清祖1，趙世婧1，胡國(guó)偉2（1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.長(zhǎng)寧區(qū)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量科，上海200052）摘要：分析集成化稱重板式輪重秤的設(shè)計(jì)原理，提出采用輻板式稱重傳感器作為動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)壓力元件的設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)闡述利用有限元軟件進(jìn)行傳感器敏感元件模型設(shè)計(jì)、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(yīng)力分布規(guī)律，找到應(yīng)變片的布片規(guī)律和具體位置，組成全橋差動(dòng)電路，使車輛輪胎載荷作用在秤臺(tái)平面的不同區(qū)域均可以測(cè)出其準(zhǔn)確重量.通過傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)分析其頻率響應(yīng)特性.關(guān)鍵詞：稱重傳感器；有限元；抗偏載；頻率響應(yīng)中圖分類號(hào)：TP212.12；O241.82文獻(xiàn)標(biāo)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(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)是便于路政和交通部門進(jìn)行車輛載荷監(jiān)測(cè)和交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的重要輔助手段.壓力元件式稱重傳感器是動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的核心部分，其過載能力、抗偏載能力、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接決定整個(gè)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的工作性能與測(cè)量收稿日期：2005-10-25；修回日期：2005-12-07作者簡(jiǎn)介：段國(guó)元(1982-)，男，山東日照人，在讀碩士，主要研究方向?yàn)橹悄芙煌ㄏ到y(tǒng)，(E-mail)64計(jì)算機(jī)輔助工程2006年表1添加關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)列圖3輻板式稱重傳感器精度.該傳感器的設(shè)計(jì)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(tái)不同位置時(shí)，應(yīng)變片測(cè)量區(qū)應(yīng)變總和控制在允許誤差5%之內(nèi)；（3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性應(yīng)使其能夠真實(shí)地反映輪胎動(dòng)態(tài)載荷.1稱重傳感器的敏感元件設(shè)計(jì)傳感器的敏感元件應(yīng)盡量降低高度，以減小汽車稱重時(shí)因各輪不在同一水平面引起的測(cè)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好等優(yōu)點(diǎn)，適合汽車稱重系統(tǒng)測(cè)量速度快、既可以靜態(tài)又可以動(dòng)態(tài)測(cè)量的要求.1.1秤臺(tái)與稱重傳感器一體的稱重儀基本測(cè)試原理：動(dòng)態(tài)稱重儀通過貼在秤臺(tái)底部的應(yīng)變片測(cè)量秤臺(tái)底部中心線處幾個(gè)離散點(diǎn)的應(yīng)變,由此推算出壓在秤臺(tái)上車輪的重量及整個(gè)車輛的重量，結(jié)構(gòu)和貼片見圖1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)是一定重量的車輪壓在秤臺(tái)上任何位置，秤臺(tái)中心線處所有應(yīng)變片的應(yīng)變之和為常數(shù)（允許誤差在5%以內(nèi)，中心線處各點(diǎn)的應(yīng)變值見圖2）.具體設(shè)計(jì)過程：將車輪對(duì)秤臺(tái)的壓力看作一個(gè)均布面荷載.加載時(shí)，按一定步長(zhǎng)（1cm）從端部到中部移動(dòng)加載位置,計(jì)算載荷作用在秤臺(tái)不同位置時(shí)貼片區(qū)域的應(yīng)變.貼片時(shí)，按兩端密中間稀的方式大概估計(jì)應(yīng)變片的位置,并且預(yù)先規(guī)定應(yīng)變片的位置變化范圍.所有的應(yīng)變片以微小步長(zhǎng)在其各自允許的變化范圍內(nèi)從一邊移動(dòng)到另一邊來調(diào)整位置,直到滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)為止.此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外形低、重量輕，便于攜帶.但是為保證各應(yīng)變片應(yīng)變總和的變化誤差在一定范圍內(nèi)，若有m個(gè)應(yīng)變片,每個(gè)應(yīng)變片在允許變化范圍內(nèi)移動(dòng)n步,那么就會(huì)有nm次運(yùn)算，顯然計(jì)算量大、調(diào)整時(shí)間長(zhǎng).并且其冷熱加工要求高，難度大，由于應(yīng)變片布置在敏感元件的外表面，電阻的防護(hù)與密封難度大，系統(tǒng)還需要采取溫度補(bǔ)償措施.1.2超薄形輻板式稱重傳感器（1）實(shí)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(tái)板面的盲孔內(nèi)，形成秤臺(tái)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(guān)鍵點(diǎn)，可以先在Excel中創(chuàng)建其坐標(biāo)（見表1），再根據(jù)創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)命令“K”添加其余數(shù)據(jù)列.在ANSYS環(huán)境下，將關(guān)鍵參數(shù)定義為變量，由于坐標(biāo)之間滿足一定的幾何關(guān)系，修改模型時(shí)只需修改幾個(gè)關(guān)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(dòng)生成滿足該幾何關(guān)系的其他參數(shù)，便于形成傳感器的參數(shù)化設(shè)計(jì)，這在產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)中尤為重要.創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)X坐標(biāo)Y坐標(biāo)k100.005k20.0350.005k30.0350.002k40.0370.002圖2秤臺(tái)中心處各點(diǎn)應(yīng)變值應(yīng)變X圖1集成化稱重板輪重秤結(jié)構(gòu)第1期段國(guó)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(duì)該截面進(jìn)行四邊形劃分（見圖4），目的是該截面掃掠形成實(shí)體后，便于對(duì)其進(jìn)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(jì)算精度.網(wǎng)格劃分后的實(shí)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(tái)盲孔形成自適應(yīng)定位，減少動(dòng)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(dòng)態(tài)測(cè)量精度.其自適應(yīng)定位原理見圖6.將一定數(shù)量的載荷轉(zhuǎn)化為均布?jí)簭?qiáng)施加到該球冠形接觸面.（4）按照默認(rèn)設(shè)置設(shè)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(yīng)變值（x）和應(yīng)力值（x），其中應(yīng)變值見圖7.理想的應(yīng)變分布應(yīng)該為同心圓分布.圖示應(yīng)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(biāo)系，觀察的方向是X方向彈性應(yīng)變（x）.所以X方向應(yīng)變梯度就是徑向的應(yīng)變分布梯度.2過載能力與抗偏載能力評(píng)估2.1通過應(yīng)變應(yīng)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(yīng)變分布云圖.應(yīng)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(yīng)變性質(zhì)為壓應(yīng)變，承受的最大應(yīng)變值為740，相當(dāng)于153MPa的應(yīng)力；靠近中間圓心區(qū)域最大應(yīng)變值為750，應(yīng)變性質(zhì)為拉應(yīng)變，相當(dāng)于155MPa的應(yīng)力.應(yīng)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(yuǎn)大于該應(yīng)力值，說明該傳感器實(shí)際量程應(yīng)該大于10t.由于該拉壓應(yīng)力是該貼片區(qū)域的最大拉壓應(yīng)力，因此若將承受壓應(yīng)變的應(yīng)變片貼在偏離外緣支承一定間距的區(qū)域，承受拉應(yīng)變的應(yīng)變片貼在偏離圓心一定間距的區(qū)域，便可確保實(shí)際量程大于10t.此時(shí)的貼片區(qū)域最大應(yīng)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(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)自適應(yīng)定位原理應(yīng)變狀態(tài)臺(tái)面中心線臺(tái)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(yīng)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(shí)體網(wǎng)格劃分66計(jì)算機(jī)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(yīng)力等高線分布稱重傳感器抗偏載能力的評(píng)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(shí)，敏感元件貼片區(qū)域的應(yīng)變分布等高線圖.應(yīng)變片貼片區(qū)域內(nèi)，外部載荷所偏向的一側(cè)區(qū)域的應(yīng)變值明顯增大，右側(cè)靠近支承邊緣區(qū)最大壓應(yīng)變接近1100，而左側(cè)壓應(yīng)變?yōu)?00左右，但其平均壓應(yīng)變?yōu)?50.受拉應(yīng)變的規(guī)律也如此.該平均壓應(yīng)變同載荷未偏載時(shí)的拉壓應(yīng)變（分別為750，740）相比，變化量很小.由此，可以采用將中心對(duì)稱的兩片承受相同性質(zhì)的應(yīng)變片串聯(lián)組成一個(gè)橋臂，這樣可以明顯提高傳感器的抗偏載能力.實(shí)際稱重傳感器產(chǎn)品的靜態(tài)偏載試驗(yàn)驗(yàn)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(guān)于中心對(duì)稱的相同性質(zhì)的兩應(yīng)變片串聯(lián)作為差動(dòng)電橋的一個(gè)橋臂，拉壓橋臂組成差動(dòng)全橋電路，見圖10，可提高貼片的效率和準(zhǔn)確率，有效減小偏載的影響程度.由全橋差動(dòng)電路可知，只要受拉應(yīng)變片和受壓應(yīng)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(yàn)證），則傳感器的線性度可以很高，不必保證受拉應(yīng)變變化量與受壓應(yīng)變量相同，即不需要31RR.采用全橋差動(dòng)電橋，靈敏度比單臂電橋提高4倍，且溫度效應(yīng)消除.圖11中，（a）給出貼片區(qū)應(yīng)變單元分布位置，共計(jì)在12個(gè)單元位置布置8片應(yīng)變片（水平方向應(yīng)變片貼在水平方向上下兩單元的對(duì)稱中心線上），無偏載情況見圖（b）（陰影區(qū)域?yàn)檩d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(yīng)變情況見表2.表2中拉應(yīng)變片與壓應(yīng)變片標(biāo)號(hào)與圖11中貼片一一對(duì)應(yīng).拉應(yīng)變片和壓應(yīng)變片在偏載與非偏載情況下，由于采用對(duì)稱貼片方法，可有效