基于Pro/E和ANSYS的弯曲梁弹性体有限元分析研究

　　1 引言

　　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。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。

　　Pro/E 具有强大的建模功能, 虽然它也有 CAE模块, 但 Pro/E 在这方面的功能比起专业的 CAE 软件还略有不足, ANSYS 是一款大型的通用 CAE 软件, 其分析功能强大, 有自己的建模模块, 但是在某些复杂形状的建模时, 其建模功能比较繁琐, 甚至难以胜任。因此,一个可行的解决方法是将两者之长处结合起来,先在 Pro/E 中建模,然后在 ANSYS 中进行分析。

　　本文以公司 ILF150kg 钢制双梁弯曲结构的传感器弹性体为例, 简要说明有限元分析方法在称重传感器设计中的应用。

　　2 弹性体实体模型建立及简化

　　在 Pro/E 软件中, 通过拉伸、旋转、孔特征等建立如图 1 弹性体特征。在实际使用状况中, 其左端下部用螺钉固定在平台上, 右端上部用螺钉固定称重托盘。应变计贴于上下半圆的最薄弱处, 模型较多的是孔特征, 可简化模型, 这样有利于网格划分和计算的简便, 既可提高运算速度, 也可提高计算精度。简化力学模型, 去除无关的或者影响小的尖角孔等特征, 简化后如图 2。简化后转化原来的毫米牛顿秒为国际制单位·米·千克·秒, 然后将模型导入 ANSYS软件进行下一步分析。

　　2.1 结构分析

　　该传感器弹性体为典型的双弯曲梁结构, 其检测信号为上下梁最薄弱处表面的沿长度方向的最大正应力。因此, 只需要通过有限元模拟方法得出梁上下表面沿长度方向( 图 3 中的 X 方向) 的应力分布情况即可。

　　2.2 有限元分析的前处理

　　2.2.1 单元类型确定

　　为提高模拟的准确性, 本文采用十节点等参数实体元素单元 Solid92。

　　2.2.2 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 2.14×1011Pa和 0.3。

　　2.2.3 网格划分

　　先对贴片的两个表面进行表面网格细划分, 再进行智能网格划分, 结果如图 4 所示。