馮博琳， 王軍利， 黃崇莉， 張昌明

(陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

參數(shù)化稱(chēng)重傳感器標(biāo)定托架有限元分析及優(yōu)化

馮博琳， 王軍利， 黃崇莉， 張昌明

(陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

以稱(chēng)重傳感器誤差標(biāo)定裝置不會(huì)對(duì)稱(chēng)重傳感器標(biāo)定精度產(chǎn)生影響為條件，首先通過(guò)ProE建立托架的參數(shù)化三維模型，然后通過(guò)有限元軟件仿真分析，得出托架的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況。以托架方鋼橫截面寬度與壁厚為輸入?yún)?shù)，托架應(yīng)力、應(yīng)變、質(zhì)量為輸出參數(shù)，在A(yíng)NSYS Workbench平臺(tái)上得到托架質(zhì)量、應(yīng)力、變形與輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，并以有限元分析的結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)托架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，通過(guò)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，托架重量減少了約7.12%。

托架； ProE； ANSYS； 稱(chēng)重傳感器； 誤差標(biāo)定

傳感器在測(cè)量、控制以及信息等領(lǐng)域使用越來(lái)越廣泛，隨著傳感器的設(shè)計(jì)和制造等方面技術(shù)水平的不斷提高，為了提高稱(chēng)重傳感器的精度、可靠性，對(duì)稱(chēng)重傳感器進(jìn)行標(biāo)定是非常必要的[1]。如何設(shè)計(jì)傳感器檢測(cè)設(shè)備已成為目前機(jī)械行業(yè)研究熱點(diǎn)之一。

由于托架的穩(wěn)定性對(duì)稱(chēng)重傳感器誤差標(biāo)定的精度有著重要影響，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者，主要采用理論分析及試驗(yàn)的方法對(duì)托盤(pán)的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行研究[2]。由于實(shí)驗(yàn)研究方法成本較高，理論分析是目前比較有效的方法，國(guó)外如RATNAM M M等[3]研究了托盤(pán)的靜態(tài)變形，國(guó)內(nèi)如韓變玲等[4]利用有限元分析技術(shù)對(duì)塑料托盤(pán)進(jìn)行仿真研究。傳統(tǒng)的稱(chēng)重傳感器誤差標(biāo)定裝置存在稱(chēng)重傳感器標(biāo)定裝置重量偏重、氣缸砝碼加載過(guò)程穩(wěn)定性差、測(cè)試效率低、測(cè)試誤差大等缺點(diǎn)，托架作為稱(chēng)重傳感器標(biāo)定裝置主要部件之一，主要承受其他部件的重量，其結(jié)構(gòu)的分析及優(yōu)化對(duì)于提高稱(chēng)重傳感器的便利性、測(cè)試精度及測(cè)試效率意義重大。

本文為了縮短稱(chēng)重傳感器的設(shè)計(jì)周期，降低成本[5]，利用ANSYS有限元分析軟件在不破壞托架材料強(qiáng)度的情況下，以減小托架質(zhì)量為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)托架結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了托架設(shè)計(jì)的可靠性[6-8]的同時(shí)，也為其他傳感器托架的設(shè)計(jì)提供了一定的理論參考。

1 稱(chēng)重傳感器誤差標(biāo)定裝置工作原理

稱(chēng)重傳感器誤差標(biāo)定裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，標(biāo)定基本工作原理如下：

1.托架；2.Y坐標(biāo)直線(xiàn)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；3.氣缸砝碼組機(jī)構(gòu)；4.托盤(pán)；5.氣缸夾具夾緊機(jī)構(gòu)；6.托盤(pán)抬升機(jī)構(gòu)；7.稱(chēng)重傳感器；8.X坐標(biāo)直線(xiàn)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖1 稱(chēng)重傳感器誤差標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)圖

首先固定好稱(chēng)重傳感器，砝碼加載時(shí)首先要確定好砝碼的加載位置，然后利用X、Y坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)移動(dòng)氣缸砝碼組機(jī)構(gòu)，將氣缸砝碼組機(jī)構(gòu)移動(dòng)到合適的加載位置上方，首次加載砝碼組到托盤(pán)正中間，然后在氣缸驅(qū)動(dòng)下氣缸砝碼組機(jī)構(gòu)將砝碼以V=200 mm/s的速度勻速加載到托盤(pán)上，再對(duì)4個(gè)角的位置進(jìn)行加載。當(dāng)砝碼加載到托盤(pán)上時(shí)，電腦軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。

2 參數(shù)化托架模型與有限元靜力學(xué)分析

2.1 參數(shù)化托架模型

通過(guò)三維軟件ProE建立托架的參數(shù)化三維模型圖2所示，托架的結(jié)構(gòu)參數(shù)如方鋼的尺寸、托架各部分的連接方式、橫梁的數(shù)目以及橫梁的尺寸對(duì)托架的剛度與強(qiáng)度有重要影響。托架材料采用Q235方鋼，截面尺寸如圖3所示。

2.2 有限元靜力學(xué)分析

在有限元分析時(shí)，參數(shù)化托架的材料采用Q235方鋼，其材料密度ρ=7.85 g/cm3，彈性模量E=2.1×102GPa、泊松比μ=0.3。設(shè)置好網(wǎng)格劃分的參數(shù)，采用自由網(wǎng)格劃分的模式，經(jīng)過(guò)有限元網(wǎng)格劃分共有151 812個(gè)節(jié)點(diǎn)、78 746個(gè)單元。有限元模型如圖4所示，在實(shí)際工作情況下托架的具體受力情況如圖5所示，通過(guò)對(duì)托架模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到的結(jié)果如圖6所示。

從圖5可以看出，托架在實(shí)際工作中底部與地面固定，兩個(gè)滑塊受到XY方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)1 500 N的集中力，托架上部分受到電機(jī)以及絲杠螺母進(jìn)給裝置500 N的集中力，托架中部擋板受到氣缸砝碼組件施加給托架4.5×105N·mm的力矩以及裝置自身重力。

圖2 托架三維模型 圖3 方鋼的截面尺寸

圖4 托架有限元模型 圖5 托架受力圖

(a) 應(yīng)變?cè)茍D (b) 應(yīng)力云圖圖6 托架變形、應(yīng)力云圖

從圖6可以看出，托架的最大變形量為0.26 mm，發(fā)生在托架上部分，最大應(yīng)力為18.256 MPa，發(fā)生在滑塊與導(dǎo)軌接觸部分，托架其他部分的應(yīng)變量和應(yīng)力值較小，表明本稱(chēng)重傳感器托架結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足剛度要求，使用安全性高，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。為了提高稱(chēng)重傳感器的測(cè)試精度及效率，減輕重量，在對(duì)稱(chēng)重傳感器進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)上，接下來(lái)的重點(diǎn)是對(duì)傳感器的托架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 托架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及結(jié)果

本文托架優(yōu)化研究過(guò)程中，采用ANSYS Workbench下的多目標(biāo)優(yōu)化求解方法[9]對(duì)托架方鋼截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟為：首先定義好狀態(tài)參數(shù)以及求解的目標(biāo)參數(shù)，再查找方鋼截面尺寸參數(shù)對(duì)托架重量、強(qiáng)度、剛度等參數(shù)的影響，最后選擇最優(yōu)結(jié)果得到托架方鋼截面尺寸最合理的設(shè)計(jì)點(diǎn)，從而得到方鋼截面尺寸最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[10-13]。

托架方鋼截面尺寸對(duì)托架的應(yīng)力、應(yīng)變和質(zhì)量有重要影響，選擇合適的方鋼橫截面尺寸尤為重要?，F(xiàn)設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單易行的優(yōu)化方案，通過(guò)改變托架方鋼的橫截面寬度L和壁厚T的大小，利用ANSYS Workbench平臺(tái)中的Design Ex-ploration模塊對(duì)托架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在對(duì)托架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中不需要反復(fù)修改托模型的尺寸參數(shù)，只需設(shè)置好托架的設(shè)計(jì)變量以及其響應(yīng)參數(shù)的限定條件，就能對(duì)托架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文選擇ANSYS Work-bench Design Exploration模塊里MOGA方法進(jìn)行優(yōu)化。MOGA方法的一大優(yōu)勢(shì)是此方法能夠?qū)ψ顑?yōu)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)篩選。把方鋼的橫截面寬度和壁厚作為優(yōu)化參數(shù)，為了表述方便，分別用DS_L和DS_T表示。以托架的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和托架質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)實(shí)際情況給定托架尺寸變化條件54 mm≤DS_L≤66 mm，13 mm≤DS_T≤17 mm，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊計(jì)算得出輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)的關(guān)系，如圖7—圖10所示。

圖7 質(zhì)量與優(yōu)化參數(shù)響應(yīng)云圖 圖8 托架最大變形與優(yōu)化參數(shù)響應(yīng)云圖

圖9 托架最大應(yīng)力與優(yōu)化參數(shù)響應(yīng)云圖 圖10 輸出參數(shù)對(duì)輸入?yún)?shù)的靈敏圖

從圖7可以看出，方鋼的壁厚對(duì)托架質(zhì)量影響較小，橫截面的寬度對(duì)托架質(zhì)量影響較大，適當(dāng)?shù)販p小方鋼橫截面寬度可以降低托架的質(zhì)量。從圖8可以看出，托架的最大變形隨方鋼截面寬度與壁厚的增大而減小，而方鋼截面寬度對(duì)托架最大變形的影響較大，適當(dāng)?shù)販p小方鋼橫截面寬度可以降低托架的最大變形。從圖9可以得到，托架的最大應(yīng)力隨方鋼橫截面寬度的增大而減小，適當(dāng)?shù)卦龃蠓戒摍M截面寬度可以降低托架的最大應(yīng)力。由圖10第一欄可以看出，參數(shù)DS_L、DS_T的靈敏度值都是正值參數(shù)，DS_L、DS_T值的增加會(huì)使托架質(zhì)量增加，而且參數(shù)DS_L對(duì)質(zhì)量影響最大。由圖10第二、第三欄可以看出參數(shù)DS_L、DS_T的靈敏度值都是負(fù)值參數(shù)，DS_L、DS_T值的增加會(huì)使托架變形、應(yīng)力減小，而且參數(shù)DS_L對(duì)托架應(yīng)力、變形影響最大。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后得到了托架的最優(yōu)參數(shù)：當(dāng)方鋼橫截面寬度為54 mm，壁厚為13.5 mm時(shí)為最優(yōu)解。托架最大應(yīng)力、變形及質(zhì)量?jī)?yōu)化前后的變化對(duì)比如表1所示。

表1 托架優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

從表1可以看出，優(yōu)化后的托架應(yīng)力與變形有所增加，托架最大變形量增加11.5%、最大應(yīng)力增加8.86%，其剛度和強(qiáng)度仍然滿(mǎn)足要求，而托架的質(zhì)量由997.45 kg減小到926.56 kg，質(zhì)量減小了7.12%。

4 結(jié) 論

本文對(duì)稱(chēng)重傳感器標(biāo)定的核心部件托架進(jìn)行了有限元分析及優(yōu)化。分析過(guò)程中，首先利用ProE三維建模軟件建立托架參數(shù)化模型，采用有限元仿真技術(shù)對(duì)托架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力分析，分析結(jié)果表明：托架除頂端和滑塊與導(dǎo)軌接觸部分，應(yīng)變量和應(yīng)力值較小，說(shuō)明稱(chēng)重傳感器托架結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足剛度要求，使用安全性較高。然后設(shè)置好ProE與ANSYS Workbench的接口，將參數(shù)化托架模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，建立以托架的方鋼橫截面寬度和壁厚為輸入?yún)?shù)的托架優(yōu)化模型，利用ANSYS Workbench中優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊的多目標(biāo)優(yōu)化方法，得到輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)的靈敏度。優(yōu)化后的托架模型與初始模型參數(shù)相比，在保證剛度和強(qiáng)度的條件下減輕了托架重量。與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)托架相比，本文運(yùn)用有限元方法縮短了托架設(shè)計(jì)周期，降低了生產(chǎn)成本，使設(shè)計(jì)的托架可靠性大大增加，避免了稱(chēng)重傳感器誤差標(biāo)定裝置托架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的盲目性，提高了設(shè)計(jì)效率。

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[責(zé)任編輯：魏 強(qiáng)]

FEM analysis and optimization of bracket of parametric weighing sensor calibration device

FENG Bo-lin, WANG Jun-li, HUANG Chong-li, ZHANG Chang-ming

(School of Mechanical Engineering, Shaanxi Sci-Tech University, Hanzhong 723000, China)

As the weighing sensor error calibration device will not affect the calibration accuracy of symmetrical heavy sensor, the three-dimensional model of the parameters of the bracket is established by PROE at first. Then, stress and strain distribution of the bracket is obtained by the finite element software, taking the stress, strain and quality of the bracket as output data, and taking square bracket section width and wall thickness as input data, the relationship between input data and quality, stress and deformation is obtained by ANSYS Workbench. Finally, using the results of finite element analysis as the standard, the optimization design of the bracket is carried out. Therefore, the weight of the bracket is reduced by 7.12% by this optimizing design.

bracket; PROE; ANSYS; weighing sensor; error calibration

1673-2944(2016)06-0019-05

2016-08-25

2016-09-27

陜西省科技廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2016JM1030)；陜西省縣域重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012XY-15)；陜西理工學(xué)院人才啟動(dòng)項(xiàng)目(SLGQD13(2)-21)

馮博琳(1992—)，男，陜西省富平縣人，陜西理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程；[通信作者]王軍利(1977—)，男，陜西省寶雞市人，陜西理工大學(xué)講師，博士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)及氣動(dòng)彈性。

TH123+.2; TP212

A