称重传感器弹性体有限元设计方法的探讨

　　1 前言

　　随着市场的不断变化, 称重传感器已由传统的商业领域向工业等需要定制的行业发展。这些行业不断增长的需求, 要求称重传感器不断开发新品。为了能适应不同行业, 传感器开发必须顺应市场潮流并能创造需求, 在设计过程中利用有限元分析模拟弹性体加、卸载过程, 计算出载荷增加、减少时的接触应力, 以保证弹性体结构设计和制造工艺的合理性, 发现并及时改进设计、生产中不易发现的缺陷和错误。这样才能缩短传感器的研制周期, 降低传感器的设计成本。本文就常用弹性体来说明有限元分析在设计中的应用过程。

　　2 有限元软件的选择

　　目前在工程技术领域最常使用的数值方法包括有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法。但就其实用性和应用的广泛性而言, 主要还是有限元法。有限元法的基本思想是将问题的求解域划分为一系列的单元, 单元之间通过节点连接; 单元节点的待求量可由单元内部积分点通过选定的函数关系插值求得。有限元单元形状简单, 易于由平衡关系或能量关系建立起节点之间的关系方程式, 然后将每个单元方程“ 组集”在一起形成总体代数方程组, 再计入边界条件后即可对方程组进行求解。通常来说,单元划分越细, 求解的精度就越高。现有的许多有限元程序如 ANSYS、ABAQUS、ADINA、NASTRAN、MARC和 SAP 等, 可以分析各种非线性屈曲现象, 可以方便地在有限元模型中同时包含几何及材料非线性;可供选择的单元类型也丰富多样, 有各种梁单元、板单元、实体单元、连接单元和接触单元, 使设计者可以有效地使用有限元方法分析复杂的结构行为。ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发, 它能与多数 CAD 软件接口, 实现数据的共享和交换,如 Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I- DEAS,AutoCAD等, 是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。软件主要包括三个部分: 前处理模块, 分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具, 用户可以方便地构造有限元模型;

　　分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、具有灵敏度分析及优化分析能力; 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了 100 种以上的单元类型, 用来模拟工程中的各种结构和材料。所以选择 ANSYS 作为有限元分析软件。