多维轴承载荷传感器结构优化设计

《多维轴承载荷传感器结构优化设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、太原理工大学硕士研究生学位论文折射效应。一束平面光射入模型后，将沿两主应力方向分解成两个有一定光程差的偏振光，光程差R与主应力差(q一盯：)成币比，即R=cd(cr。一仃：)，C为常数，d为模型厚。模型前后装入超偏和检偏镜，投射到屏幕上，可检测各点的光强，为：，=k(asin20sin等尺)2，k为常数，a为光束振幅，秒为主应力与入射偏振轴夹角，五为Z波长。当0=0。或90。，即主应力与偏振轴重合时，投影处的光强为零；模型上的一系列此类点构成黑线，代表主应力倾角相等各点的轨迹，称等倾线，当R=n2时，投影光强也为零，每一条纹线分别代表主应力差值，称等差线，级数n越高

2、，应力差值越高。利用单色光的等倾线测量各点主应力方向，用等差线测量各点应力差值，通过这两组数，用“主应力合法”，“剪力差法”或“斜射法”，便可求出模型上任一点的应力及整个模型内应力分布。用实验光弹应力分析法进行弹性体的设计即是制作多种实验模型，经实验分析获得每个模型的应力分布，然后比较各种模型，从中选出较优模型并确定贴片的最佳位置。该方法的优点是设计过程逼真。缺点是由于经济代价昂贵，实现设计优化的可能性不大。基于数值模拟的弹性体设计方法用有限元法模拟设计空间中弹性体的应力分布，并结合结构优化算法获取最优解。该方法的优点是适合于任意形状、约束条件的弹性体，从而可以扩大

3、设计空间，获得更加优秀的设计方案，是最有前途、也是为国际领先传感器厂商广泛采用的设计方法。缺点是设计方法及其相应的理论复杂程度高。目前的结构分析软件除去具备有限元分析功能外，还有的具备结构优化功能，譬如ANSYS就具备这些功能【24之51。ANSYS的结构优化设计模块基于其强大的线弹性分析功能，支持各种成熟的优化算法，使用者可以直接运用这些优化算法，也可以编写自己的优化算法程序，ANSYS软件提供与用户程序的接口。基于ANSYS的弹性体的结构优化设计方法的关键是将设计模型参数化，分析结果参数化，而ANSYS的参数化设计语言(APDL)则很好地解决了参数化建模和将分析

4、结果参数化这些问题【26。301。在优化循环过程中通过对结果的分析而修改设计参数，然后在进行结构重分析，如果满足收敛条件则结束，若不满足则进行下一轮循坏，如图1—1p¨。3太原理工大学硕士研究生学位论文图1-1结构优化求解的一般步骤Fig．I—lGeneralapproachofstructuraloptimizationsolution基于ANSYS的弹性体的结构优化设计方法使传感器的设计者撇开繁琐的结构分析计算和优化算法的设计而专注于对弹性体的力学模型、优化参数模型、优化数学模型及合理的设计空间的研究。基于ANSYS的弹性体的结构优化设计的示意图见l一2。分析文

5、件冈1．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．_J图卜2基于ANSYS的结构优化设计方法示意图Fig．1—2SchematicdiagramofstructuraloptimaldesignmethodbasedOilANSYS1．4主要研究内容1、根据多支承转子一轴承负荷辨识试验台的要求，设计了三维轴承载荷传感器弹性体的基本结构。2、通过传感器静态标定数据，确定传感器有限元分析及优化的力学模型。3、在ANSYS中对二维、三维传感器弹性体进行有限元分析，验证弹性体结构的合理性。4太原理工大学硕士研究生学位论文4、用Pro／E软件对多维轴承载荷传感器弹性体进行

6、灵敏度分析，在ANSYS中对其结构进行优化5、用ANSYS对优化后传感器的输入输出关系进行数值模拟，检验传感器的线性度。1．5小结本章阐述了本文研究的目的和意义，分析了国内外相关研究领域的研究状况，对本文的主要研究内容和工作进行了简要阐述。5太原理工大学硕士研究生学位论文2．1引言第二章传感器工作原理与分析方法本课题研究的二维和三维传感器均属于电阻应变剪切梁式测力传感器，由弹性体、电阻应变片及变换电路组成，这种传感器的特点是将电阻应变片安装在弹性体上剪应变最大处的主应变方向。被测的物理量——轴承载荷作用在弹性体上，安装在弹性体的电阻应变片将轴承载荷转换为电阻变化，又

7、通过变换电路将电阻变化转换为电压变化。使用时，根据传感器标定的数据，由传感器的电压变化值确定出被测轴承载荷的值【32l。2．2剪切式传感器工作原理梁式剪切轴承载荷传感器的弹性体可简化为中间受一集中载荷P作用的两端固支梁，其力学模型如图2．1所示，该模型为一次超静定问题。受力后，由于对称关系，中间加力端不会转动，如果两边端支承也很刚硬，则可以将它看成长度为L，两端不转动的两根梁。由于对称，仅需分析一根梁的受力情况，在图2．1(a)中，取出左边梁分析，它的边界条件为A、C处的转角等于零，即吼=吃=0在梁的c处有垂直位移，该截面内的弯矩为心，力为了P，在距离c端x的任