悬臂梁式测力传感器结构的拓扑优化设计.pdf

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1、机械设计与制造第2期MachineryDesign&Manufacture2014年2月悬臂梁式测力传感器结构的拓扑优化设计李湘勤1,2刘永明，一，谢军，刘震宇(1．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，吉林长春130033；2_中国科学院大学研究生院，北京100039)摘要：对二维悬臂梁结构进行初始数值分析，确定贴片布置方式。根据力传感器的设计要求，如贴片区域的应力集中、刚度和重量等，基于常用的SIMP拓扑优化方法，建立拓扑优化模型。结合敏度过滤、密度过滤方法和优化模型参数的连续化方

2、法，使优化的结构收敛到一个细结构较少的拓扑构形。采用MMA优化算法对优化模型进行求解，实现对悬臂梁式测力传感器结构的拓扑优化设计。最终优化结果显示，经拓扑优化得到一个应变在贴片区域集中的优化结构，并达到四个贴片区域的应变量一致。关键词：传感器；拓扑优化；滤波；连续法中图分类号：TH16；TP212．12文献标识码：A文章编号：1001—3997(2014)02—0046—03TheTopologyOptimizationDesignMethodofaCantileverTypeForceSensorLIXia

3、ng-qin，LIUYong-ming一，XIEJun，LIUZhen-yu(1．StateKeyLaboratoryofAppliedOptics，ChangchunInstituteofOptics，FineMechanicsandPhysics，ChineseAcademyofSciences，JilinChangchun130033，China；2．GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100039，China)Abstract：The

4、layoutandpositionsofstraingaugearrayispredeterminedbasedonthedesigndomainofatwo—dimensionalcantileverbeam．AnoptimizationmethodisestablishedusingtheSIMPtopologyoptimizationmethodandbasedonthedesignnecessaryofforeesensor，such∞theconcentrationofstraininthepatc

5、harea，thestiffnessandtheweightofthecantileverbeam，etc．Combinedwiththesensitivityfiltering，designvariablefilteringandthemethodofcontinuousoptimalparameters，topologyoptimizationisimplementedinordertoavoidthetinystructureoftheoptimizedstresssensor．Numericalexa

6、mpledemonstratesthatthestructureobtainedhasastrainconcentrationineachpatchareaandcoincidentstraincapacityinfourpatchareas．KeyWords：Sensor；TopologyOptimization；Filtering；ContinuousMethod1引言对于传感器，其设计的重点和难点在于敏感元件的设计。工程中较常用的一类测力传感器通过应变效应和压阻效应来感受力的变化并转化为电信号输出，这类

7、传感器的设计主要在于弹性体的设计，而弹性体设计的关键在于应变或应力分布的设计。近年来发展日趋成熟的拓扑优化，其主要目标是在给定约束条件下获得所描述目标函数的最值的材料或设计参数的分布，其研究主要集中在给定体积约束下能量最小或刚度最大的优化l】。利用拓图1惠斯通电桥扑优化方法进行测力传感器的设计，可为工程师提供很多有价值Fig．1TheWheatstoneBridge的信息，为设计新产品提供切实可行的设计思路，如冯桢等对汽当到有任意小的电阻变化时，电压与电阻、应变量有如下关车的车架进行了拓扑优化设计口。基于密度

8、法对悬臂梁式测力传系：感器结构进行拓扑优化设计，以达到应变在指定贴片区域集中。Vo=一}4(＼等Rol一【J2+。等R03一R04』一4lkg。。‘)(12悬臂梁式测力传感器式中：。—输出电压；—输入电压，s，s，s，，—贴片位置的平测力传感器常用的一种形式是应变式传感器，其原理是利用应变片感受弹性敏感元件受力或力矩时所产生的应变，并将应均应变，一般有。=R。∞。从上式可知，若已知四个变转换为电阻值