基于有限元的激光板厚测量系统C形框架结构设计

　　　0　引言

　　板材厚度的测量具有多种方式,其中,基于光学三角法的激光测量由于其具有非接触、精度高、易于控制且与材料内部特性参数无关等优点,日益受到人们的重视,广泛应用于各种工业检测场合,同样运用于板带的厚度测量领域。

　　激光板厚测量装置的结构,一般有用多对激光传感器并排测量和C形框架扫描测量两种结构,由于C形框架结构只需要一对激光传感器,无疑有效地降低了成本,是一种经济有效的板厚测量方式[1]。C形框架结构的板厚测量系统中,上下激光位移传感器及其驱动系统固定在C形框架上,激光发射系统发出激光信号,接收系统将接收到的信号通过光电转换和处理将上下位置信号传送给计算机系统。整个C形框架安装在带有隔振功能的基座上,通过高精度的直线导轨连接,保证运动过程的平稳。

　　对检测系统而言,人们并不认为检测装置的结构性能对测量精度的影响很大,保证检测系统测量精度的措施,也主要侧重于从测量原理、数据处理、误差补偿以及提高敏感元件的测量精度等方面考虑[2]。检测装置的结构设计也多采用经验　性、静态的或者类比的方法,先进的结构动力学建模、优化等动态设计技术很少使用。但是,随着测量精度的要求越来越高,检测装置中关键部件的结构动态性能对测量的影响已不容忽视。

         对于高精度C形框架结构的激光测厚装置,测量精度受到诸多方面因素的影响,除了系统中敏感元件激光传感器的位移检测精度外,装置中传感器的位置精度也是影响测量精度的重要因素之一。而C形框架在现场环境激励下引起的振动,将会引起该位置精度的变化,从而最终影响测量精度。为了减小框架结构的固有频率、模态振型等动态特性对测量精度的不良影响,需要合理设计C形框架。本文在模态分析和动力学仿真的基础上,运用结构有限元优化设计方法,对C形框架进行优化设计,以寻求适合于工作环境的移动框架结构,从而保证整个装置的测量精度。

　　本文利用有限元分析软件ANSYS,对C形框架进行模态分析和优化设计。

　　1　模型建立

　　C形框架为12mm厚Q235型钢板焊接而成,其材料属性如下:弹性模量为200GPa;泊松比为0·3;密度为7·8×103kg/m3。框架外观呈C字形箱体结构,长2·2m、高1·15m、宽0·3m。为尽可能减小热变形,C形框架两侧做成夹层形式,且夹层中通有冷却循环水。建模时,移动框架采用壳单元SHELL63生成。冷却水为液体,对C形框架的刚度没有太大的影响,但会改变框架的质量大小和分布,从而会改变框架的动态特性,故模态分析时冷却水不可忽略,将冷却水处理为两块质量分别平均施加在两外表面和内侧夹层上,使其附加的质量和质心位置与实际情况相同。具体利用SHELL63的质量实常数定义面质量密度实现质量的添加。C形框架内的其他装置如线路板、信号线、激光头等因质量较小对模态影响较小,可忽略不计。