基于有限单元法的汽车称重传感器.doc

-专业文档，值得下载!-专业文档，值得珍藏！-文章编号：1006-0871(2006)01-0063-05基于有限单元法的汽车称重传感器段国元1，苏清祖1，赵世婧1，胡国伟2（1.江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013；2.长宁区质量技术监督局标准计量科，上海200052）摘要：分析集成化称重板式轮重秤的设计原理，提出采用辐板式称重传感器作为动态称重系统压力元件的设计方案，重点阐述利用有限元软件进行传感器敏感元件模型设计、网格划分、施加载荷与边界条件的过程；根据敏感元件的应力分布规律，找到应变片的布片规律和具体位置，组成全桥差动电路，使车辆轮胎载荷作用在秤台平面的不同区域均可以测出其准确重量.通过传感器的动态响应试验分析其频率响应特性.关键词：称重传感器；有限元；抗偏载；频率响应中图分类号：TP212.12；O241.82文献标志码：AAutomobileweigh-in-motionsensorbasedonfiniteelementanalysisDUANGuoyuan1,SUQingzu1,ZHAOShijing1,HUGuowei2(1.SchoolofAutomobileandTrafficEng.,JiangsuUniv.,ZhenjiangJiangsu212013,China；2.StandardMetrologyOffice,ChangningBureauofQualityandTechnicalSupervision,Shanghai200052,China)Abstract:Basedonanalyzingthedesignprincipleofintegratedweighingboardstyletyreweight,theschemethattheloadcellofweigh-in-motionsystemisdesignedbyusingspoke-boardtypeweighingsensorisproposed.Theprocessofusingfiniteelementsoftwaretodealwithsensororganmodeling,meshing,loadingandboundaryconditionisexpatiated.Accordingtothestraindistributingruleofsensororgan,theslicesdisposalandlocationarefound,andthecompletebridgedifferentialcircuitiscomposedtomeasurethepreciseweightoftyreloadwhichmayactonthedifferentareasofweighingboard.Dynamicresponseexperimentisdonetoanalyzethecharacteristicofthefrequencyresponse.Keywords:weighingsensor；finiteelement；load-deflectionresistance；frequencyresponse0引言便携式动态称重系统是便于路政和交通部门进行车辆载荷监测和交通数据统计的重要辅助手段.压力元件式称重传感器是动态称重系统的核心部分，其过载能力、抗偏载能力、动态响应特性直接决定整个动态称重系统的工作性能与测量收稿日期：2005-10-25；修回日期：2005-12-07作者简介：段国元(1982-)，男，山东日照人，在读硕士，主要研究方向为智能交通系统，(E-mail)duanguoyuan126.com64计算机辅助工程2006年表1添加关键点数据列图3辐板式称重传感器精度.该传感器的设计要求有：（1）一定的过载能力（通常为额定量程的150%）；（2）轮胎载荷作用在秤台不同位置时，应变片测量区应变总和控制在允许误差5%之内；（3）动态响应特性应使其能够真实地反映轮胎动态载荷.1称重传感器的敏感元件设计传感器的敏感元件应尽量降低高度，以减小汽车称重时因各轮不在同一水平面引起的测量误差，满足称重系统的便携性要求.辐板式压力传感器具有外形低、量程大、灵敏度高和动态响应特性好等优点，适合汽车称重系统测量速度快、既可以静态又可以动态测量的要求.1.1秤台与称重传感器一体的称重仪基本测试原理：动态称重仪通过贴在秤台底部的应变片测量秤台底部中心线处几个离散点的应变,由此推算出压在秤台上车轮的重量及整个车辆的重量，结构和贴片见图1.1设计目标是一定重量的车轮压在秤台上任何位置，秤台中心线处所有应变片的应变之和为常数（允许误差在5%以内，中心线处各点的应变值见图2）.具体设计过程：将车轮对秤台的压力看作一个均布面荷载.加载时，按一定步长（1cm）从端部到中部移动加载位置,计算载荷作用在秤台不同位置时贴片区域的应变.贴片时，按两端密中间稀的方式大概估计应变片的位置,并且预先规定应变片的位置变化范围.所有的应变片以微小步长在其各自允许的变化范围内从一边移动到另一边来调整位置,直到满足设计指标为止.此种结构的优点是结构简单、外形低、重量轻，便于携带.但是为保证各应变片应变总和的变化误差在一定范围内，若有m个应变片,每个应变片在允许变化范围内移动n步,那么就会有nm次运算，显然计算量大、调整时间长.并且其冷热加工要求高，难度大，由于应变片布置在敏感元件的外表面，电阻的防护与密封难度大，系统还需要采取温度补偿措施.1.2超薄形辐板式称重传感器（1）实际传感器敏感元件的几何模型见图3，若干数目的称重传感器嵌入秤台板面的盲孔内，形成秤台与称重传感器组装式低外形便携式轮重秤.采用由底向上的建模方法2，先创建关键点，可以先在Excel中创建其坐标（见表1），再根据创建关键点命令“K”添加其余数据列.在ANSYS环境下，将关键参数定义为变量，由于坐标之间满足一定的几何关系，修改模型时只需修改几个关键参数，如辐板厚度、贴片区域的直径、支承约束的高度等，系统重新自动生成满足该几何关系的其他参数，便于形成传感器的参数化设计，这在产品系列化设计中尤为重要.创建关键点关键点编号X坐标Y坐标k100.005k20.0350.005k30.0350.002k40.0370.002图2秤台中心处各点应变值应变X图1集成化称重板轮重秤结构第1期段国元，等：基于有限单元法的汽车称重传感器65k50.0370k60.0550k70.0550.013k80.0570.013k90.0570.015k100.02250.015k110.02250.018k120.01410.018k130.01250.0176k140.01250.014k1500.014（2）连接线生成传感器截面.需要对该截面进行四边形划分（见图4），目的是该截面扫掠形成实体后，便于对其进行六面体网格划分（单元类型为Solid45），以保证网格几何质量和计算精度.网格划分后的实体见图5.（3）施加载荷与边界.由于其支承面与地面直接接触，施加全约束（u,v,w,x,y,z）.载荷施加面为球冠面，主要是在秤台盲孔形成自适应定位，减少动态干扰载荷的影响，保证载荷始终垂直于接触面，提高称重传感器的动态测量精度.其自适应定位原理见图6.将一定数量的载荷转化为均布压强施加到该球冠形接触面.（4）按照默认设置设定求解类型与求解器（静态Static，ProgramChosenSolver），最后定义单元表格（ElementTable），输出径向的应变值（x）和应力值（x），其中应变值见图7.理想的应变分布应该为同心圆分布.图示应变之所以在X和Y方向的梯度不一样，是由于采用直角坐标系，观察的方向是X方向弹性应变（x）.所以X方向应变梯度就是径向的应变分布梯度.2过载能力与抗偏载能力评估2.1通过应变应力分布图分析传感器的过载与偏载能力图7给出传感器的贴片区域应变分布云图.应变片贴在敏感元件底部盲孔的底面，沿半径方向分内外两层.外层区域靠近传感器支承区域，应变性质为压应变，承受的最大应变值为740，相当于153MPa的应力；靠近中间圆心区域最大应变值为750，应变性质为拉应变，相当于155MPa的应力.应变片沿径向方向粘贴.通常敏感元件材料选用合金钢（如35CrMnSiA，0CrVA），调制处理后的屈服极限远大于该应力值，说明该传感器实际量程应该大于10t.由于该拉压应力是该贴片区域的最大拉压应力，因此若将承受压应变的应变片贴在偏离外缘支承一定间距的区域，承受拉应变的应变片贴在偏离圆心一定间距的区域，便可确保实际量程大于10t.此时的贴片区域最大应变为600，材料的弹性极限为1080（30CrMnSi），则过载能力为1(1080600)/600180%.图6动态称重系统自适应定位原理应变状态台面中心线台面中心线加载状态加载位置空载位置图710t称重传感器贴片区域应力分布规律图4称重传感器敏感元件截面分割为四边形图5称重传感器敏感元件实体网格划分66计算机辅助工程2006年图9称重传感器抗偏载贴片方案图810t偏载情况下贴片区应力等高线分布称重传感器抗偏载能力的评估方案如下：图8是称重传感器外部施加10t载荷偏载到1/3支承面时，敏感元件贴片区域的应变分布等高线图.应变片贴片区域内，外部载荷所偏向的一侧区域的应变值明显增大，右侧靠近支承边缘区最大压应变接近1100，而左侧压应变为400左右，但其平均压应变为750.受拉应变的规律也如此.该平均压应变同载荷未偏载时的拉压应变（分别为750，740）相比，变化量很小.由此，可以采用将中心对称的两片承受相同性质的应变片串联组成一个桥臂，这样可以明显提高传感器的抗偏载能力.实际称重传感器产品的静态偏载试验验证了该方案的可行性.2.2提高传感器抗偏载能力的组桥方案如图9所示，在敏感元件底部盲孔的底面贴片区域，采用集中贴片，将关于中心对称的相同性质的两应变片串联作为差动电桥的一个桥臂，拉压桥臂组成差动全桥电路，见图10，可提高贴片的效率和准确率，有效减小偏载的影响程度.由全桥差动电路可知，只要受拉应变片和受压应变片的电阻变化与外部载荷成正比（通过有限元分析可以验证），则传感器的线性度可以很高，不必保证受拉应变变化量与受压应变量相同，即不需要31RR.采用全桥差动电桥，灵敏度比单臂电桥提高4倍，且温度效应消除.图11中，（a）给出贴片区应变单元分布位置，共计在12个单元位置布置8片应变片（水平方向应变片贴在水平方向上下两单元的对称中心线上），无偏载情况见图（b）（阴影区域为载荷作用区域），载荷偏载到1/3作用区域见图（c）.无偏载与偏载工况下单元的应变情况见表2.表2中拉应变片与压应变片标号与图11中贴片一一对应.拉应变片和压应变片在偏载与非偏载情况下，由于采用对称贴片方法，可有效提高静态称重情况下称重传感器的抗偏载能力，偏载误差被控制在2%以内.如果在圆形贴片区域内，与现有的贴片相同半径位置沿径向贴更多的应变片，且与现有的应变片等间隔分布（例如再贴4片受压应变片与4片受拉应变片，每个桥臂4片电阻应变片串联），则将会进一步提高称重传感器的抗偏图10称重传感器抗偏载组桥方案1458R2R3R46723U0UR1图11贴片区应变单元分布位置（a）（b）（c）3142145953335868314114729503663585593753463664