NHS传感器弹性体有限元分析

　　1.前言

　　弹性体是称重传感器的核心, 其设计和制造将直接影响传感器的各项性能和可靠性。目前,在进行称重传感器的设计时, 大多仍停留在利用简化的材料力学公式进行计算的水平, 其计算结果有很大的近似性, 只能作为粗略的估算。此外,对于复杂结构, 传统的简化力学模型法要作大量繁琐的理论推导, 甚至无法计算。如 NHS 传感器弹性体就是这种类型, 国内没有合理的计算设计方法, 为了进行精确的计算, 并对传感器弹性体的结构设计、应力场的分布状况和变形状态、贴片位置的合理性等情况有一个比较全面的了解,利用先进的计算机辅助设计手段———有限元法对传感器工作状态进行分析是十分必要的, 也是十分方便的。

　　NHS 传感器弹性体形状如下图 1, 它最大的优点是量程大, 但尺寸小, 用料省, 尤其在市场上用途广泛。故对于 NHS 传感器的原理是一个急待解决的问题, 本文正是基于此目提出的, 通过有限元分析方法, 分析 NHS 弹性体的应力分析, 来阐述其工作原理, 希望能对其他同行业设计者有所帮助。

　　2.结构分析

　　从上图可知, NHS 传感器是典型的旋转型轴对称模型, 因此在结构分析时候采用轴对称模型分析方法进行分析, 这样只需要选择合适的轴对称单元, 对其截面进行分析即可, 大大减少了计算工作量, 提高了计算精度, 要比普通的三维模型分析方法更加合理。现以 100tNHS 传感器弹性体为例进行分析。

　　2.1 有限元分析前处理

　　2.1.1 单元类型确定

　　为提高模拟的准确性, 可适于 NHS 模型支持轴对称的单元类型主要有 PLANE42 和 PLANE182,基于 NHS 截面模型 ( 见图 2) 曲线较多的情况,选用 PLANE182 单元。

　　2.1.2 材料属性的定义

　　对于本例只是简单的静态力学分析, 因此只要定义弹性体的弹性模量 ( E) 和泊松系数 ( μ)即 可 。 对 于 40CrNiMoA, 上 述 两 参 数 分 别 为2.14×105Pa 和 0.3。

　　2.1.3 网格划分

　　对截面进行智能网格划分, 再对贴片区域进行网格细化处理, 结果如图 3 所示。

　　2.1.4 边界条件的确定

　　根据该传感器的实际应用情况, 弹性体底面圆环定位, 所以约束采用限制其轴向即 Y 轴方向的自由度即可, 弹性体顶面方向受载, 因此在模拟前处理时将载荷 ( force) 平均加载于此面, 即加载压强于顶面即可 ( 实际上, 该处理方法与将载荷集中在承载面的几何中心效果相同) , 本例根据计算 100t 压于顶面即施加一个 260MPa 压强于顶面是相同效果的。

　　3.计算结果的分析