（机械电子工程专业论文）电磁式位移传感器结构性能集成设计系统.pdfVIP

摘要 论文以“电磁式位移传感器集成设计系统”为背景。针对传统的电磁式位移 传感器设计方式存在设计效率低、协作能力差、修改麻烦等多项缺点，提出集成 设计系统来解决这些问题。集成设计系统把机械设计、动力分析、热分析、电磁 分析、容差分析、优化设计模块采用异构方式集成到一起，帮助用户高效、有序 的完成传感器的设计工作。 论文阐述了基于a n s y s 的电磁式位移传感器集成设计系统的实现过程。解决 了集成设计系统在实现过程中的工程实际问题。运用a n s y s 的二次开发技术完成 了传感器参数化模型的创建；实现了谐响应分析、瞬态响应分析、随机振动分析、 热分析的自动化；完成分析结果的处理和提取的自动化；把仿真分析的结果传递 给传感器电磁仿真分析软件，实现了结构分析模块与其他模块的集成。 关键词：电磁式位移传感器 结构分析 集成设计系统 a n s y s 二次开发技术 热力学分析 a b s t r a c t t h ew o r ko ft h i sp a p e rc o m e sf r o mt h ep r o j e c t e l e c t r o m a g n e t i cd i s p l a c e m e n t s e n s o ri n t e g r a t e dd e s i g ns y s t e m ”p u tf o r w a r dt h e i n t e g r a t e dd e s i g ns y s t e m t os o l v e t h ep r o b l e mo fl o ws y n e r g i ca b i l i t y , l o n gp e r i o da n dl o we f f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a l d i s p l a c e m e n ts e n s o rd e s i g n u s i n gt h eh e t e r g e n e o u st e c h n i q u e si n t e g r a t et h em e c h a n i s m d e s i g nm o d u l e ，m o m e n t u ma n a l y s i sm o d u l e ，t h e r m o d y n a m i c s a n a l y s i s m o d u l e ， e l e c t r o m a g n e t i s ma n a l y s i sm o d u l e ，t o l e r a n c ea n a l y s i sa n do p t i m i z ed e s i g nt oh e l pt h e u s e rw o r k e do u td i s p l a c e m e n ts e n s o rd e s i g nh i 曲e f f i c i e n c y t h i sp a p e re x p a t i a t e dh o wt oi m p l e m e n tt h e i n t e g r a t e dd e s i g ns y s t e m ”b a s e do n t h ea n s y ss o f t w a r ea n dh o wt os o l v et h ep r o b l e m u s i n gt h ea n s y s d e v e l o p m e n t t e c h n o l o g yc o m p l e t et h e i n t e g r a t e dd e s i g ns y s t e m w h i c hc a nh e l pu s e ra c h i e v e p a r a m e t e r i z e dm o d e lc r e a t e ，s t r u c t u r ea n a l y s i s ，o u t c o m e sc o l l e c ta n dm a n a g ev o l u n t a r i l y t h es t r u c t u r ea n a l y s i sm o d u l ea n do t h e rm o d u l eh a sb e e ni n t e g r a t e dt or e a l i z et h ed a t e t r a n s f e r k e y w o r d ：e l e c t r o m a g n e t i cd i s p l a c e m e n ts e n s o r a n s y s d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y t h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i n t e g r a t e dd e s i g ns y s t e m s t r u c t u r ea n a l y s i s 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学分和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 越牛日期删 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 肄 导师签名：壑乜遮亟 日期型! 芝主：4 日期兰竺! ! ：! ：! 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 课题研究背景 课题以“电磁式位移传感器集成设计系统 为背景，该课题来源于与航空工 业集团某研究所合作的项目。该研究所在进行传感器设计时，采用了分阶段、相 对独立的工作模式：即在不同设计阶段，采用不同商业软件来完成设计，如采用 u g 建立传感器结构模型，完成传感器结构设计；采用a n s y s 建立传感器结构分析 模型，完成传感器结构分析；采用m a x w e l l 建立传感器电磁模型，完成传感器电 磁性能分析与优化。这就造成了在数据传递、统筹规划和设计协作方面存在很多 问题，如结构设计模型一旦发生变化，结构分析模型和电磁模型就要进行相应的 修改，甚至重新建模，而这一工作往往是繁琐且容易出错的，因此我们开发了“电 磁式位移传感器集成设计系统”，将结构设计、结构分析、电磁分析、容差分析、 优化设计等集成到统一的平台下，实现设计数据和流程的整合。帮助设计人员系 统化、协作化完成传感器的设计工作。 在研究电磁式位移传感器的时候，最关心的是电磁式位移传感器的电磁性能。 该所研制的系列电磁型位移传感器应用于航空设备上，航空器在飞行的过程中会 受到各种外部因素的影响，这些影响造成电磁式位移传感器在工作过程中产生两 种形变：一种是电磁式位移传感器受飞行器振动、冲击产生的形变；另一种为电 磁式位移传感器受到温度影响产生的热胀冷缩形变。这两种形变都会影向到电磁 式位移传感器的电磁性能。所以需要对电磁式位移传感器进行动力学分析和热学 分析。动力学分析研究各种信号作用下电磁式位移传感器的动力仿真结果；热分 析是研究在环境与传感器有温差的情况下，出现热传递从而导致传感器发生热胀 冷缩形变对传感器电磁性能的影响。本文的重点为采用a n s y s 完成动力分析和热 分析并编写二次开发脚本实现系统集成，为传感器的设计提供有效帮助。 1 2 相关技术和概念简介 1 2 1 分析类型概述 a n s y s 是一个多用途的商业有限元分析软件，能实现多种物理量的分析。在集 成设计系统中主要用到结构分析和热分析两大模块，如图1 1 所示： 2 电磁式位移传感器结构性能集成设计系统 模 态 分 析 谐 响 应 分 析 a n s y s 分析类型 稳 态 热 传 递 分 析 热 分 析 热 耦 a 口 分 析 电 磁 场 分 析 流 体 分 析 图1 1a n s y s 分析类型 对电磁式位移传感器进行动力学分析主要包括谐响应分析、瞬态动力分析、 随机振动分析。谐响应动力分析主要用于分析持续的周期载荷在结构中产生的周 期响应，以及确定结构承受随时间按正弦规律变化载荷的稳态响应；瞬态动力学 分析也称时间历程分析，用于确定承受任意随时间变化载荷的结构动力学响应【l 】； 随机振动分析也称为谱分析，这是因为随机振动要把时间域的振动信号转换为频 率域的谱函数。 电磁式位移传感器进行热学分析主要是分析传感器系统或其部件的温度分布 及其他热物理参数，如线性热胀冷缩、热量的获取或损耗、热梯度等。a n s y s 热分 析是基于能量守恒原则，建立单元有限元并网格化单元形成很多节点，在各个节 点之间建立热传递平衡方程而进行计算仿真的。a n s y s 热分析类型包括稳态传递 热、瞬态热传递热、热耦合。 1 2 2 参数化技术 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 技术是在实际应用中，随着现代化工业的高 速发展，产品的功能、结构日趋复杂，新产品的更新换代周期不断缩短的情况下 提出的课题。参数化设计也叫尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e n ) ，是c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 应用领域内的一个重要的、且待进一步研究的课题。利用参数化设 计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中 解脱出来，大大提高设计速度，并减少信息的存储量。由于上述应用背景，国内 外对参数化设计做了大量的研究，目前参数化技术大致可分为如下三种方法：( 1 ) 基于几何约束的数学方法；( 2 ) 基于几何原理的人工智能方法；( 3 ) 基于特征模 第一章绪论 3 型的造型方法l 4 1 。 参数化设计的关键是几何约束关系的提取和表达、求解以及参数化几何模型 的构造。参数化技术是通过几何约束来表达产品模型的形状特征，定义一组参数 以控制设计结果。参数驱动是一种新的参数化方法，其基本特征是直接对数据库 进行操作。因此它具有很好的交互性，用户可以利用绘图系统全部的交互功能修 改图形及其属性，进而控制参数化的过程；与其他参数化方法相比较，参数驱动 方法具有简单、方便、易开发和使用的特点，能够在现有的系统基础上进行二次 开发。 1 3 某型号电磁式位移传感器简介 1 3 1 电磁式位移传感器结构 位移传感器是把位移物理量转化为电信号的精密装置。位移传感器分为电容 式位移传感器、电磁式位移传感器、光电式位移传感器、电压式位移传感器等。 该所研制的系列传感器为差动电磁式位移传感器，也叫差动变压器式位移传感器。 差动变压器式位移传感器( l i n e a rv a r i a b l ed i f f e r e n t i a lt r a n s f o r m e r ，简称l v d t ) 主要由定子和动铁心两部分组成。在软磁材料做成的定子外壳内，装有激磁绕组 和输出绕组。它是利用线圈的互感作用将直线机械位移转换为与其成比例的电压 信号，有效地将被测量值取出【7 j 。差动变压器式位移传感器主要用在直线运动的系 统中，作为位置测量、反馈和监控部件。与其他传感器相比，l v d t 具有工作可靠， 输出电压精度高、线性度好、结构简单、使用寿命长、环境适应性强等优点，因 而在很多领域有着广泛的应用。差动变压器式位移传感器的工作原理与结构都相 当于螺管式差动变压器，其结构示意图如图1 2 所示博j ： 弓i i i 线 图1 2 差动变压器结构示意图 差动变压器的基本元件有动铁心、激磁线圈、励磁线圈、线圈骨架等。激磁 4 电磁式位移传感器结构性能集成设计系统 线圈作激励用，相当于变压器的原边。励磁线圈由两个结构和参数相同的线圈反 向串接，形成变压器的二次绕组。 1 3 2 电磁式位移传感器工作原理 差动式位移传感器的工作原理是把被测量的物理量的变化变换为线圈互感的 变化，其工作正是建立在互感变化的基础上的。激磁线圈输入交流电压，励磁线 圈感应出电动势，当互感受到外界影响( 如衔铁位移的改变) 而变化时，其感应 电动势也随之发生相应的变化。忽略线圈的寄生电容及衔铁损耗，其等效电路可 画成图1 - 3 形式。 e l 图1 3 差动式位移传感器等效电路 图1 3 中e l 为激磁线圈的激励电压，l l 、r l 为激磁线圈电感和电阻，m 卜 m 2 分别为激磁线圈与励磁线圈之间的互感，i _ a l 、l 2 2 、r 2 l 、r 2 2 分别为两个励磁线 圈的电感和电阻。根据变压器原理 易= 岛l 一互：= j c o ( m l m ：) ， ( 1 - 1 ) 当衔铁在中间位置时，若两个励磁线圈参数及磁路尺寸相等，则m = m 2 = m ，所 以互= o 。当衔铁偏离中间位置时，m i = m + z k m 。，鸠= 肘一刖，故 互= j 2 c o e z k m ( 墨+ i c o n ) ( 1 - 2 ) 其输出电动势与衔铁位移关系如图1 4 所示。图中e 2 l ，e 2 2 分别为两个励磁线圈的输 出电动势，e 2 为传感器输出电动势。x 表示衔铁偏离中心位置的距离。 第一章绪论 5 图1 4 差动式位移传感器输出特性 1 4a n s y s 及其开发技术概述 a n s y s 是伴随着计算机技术发展和工程需要而出现的一种工程分析软件，采用 有限单元法( f e m ，即f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 为理论基础而建立起来。有限单元法应 用的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电 路学、电磁学等【3 】。a n s y s 具有三大特点：强大而运用广泛的分析功能；一体化的 处理方法，包括模型建立、网格划分、分析处理、求解、后处理等多种功能和处 理技术；丰富的产品系列和完善的丌放体系，a n s y s 能与多数c a d 软件接v i ，实 现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r 、i d e a s 、等。a n s y s 的功能、模块如图 1 5 所示： 6 电磁式位移传感器结构性能集成设计系统 图1 5 a n s y s 结构、模块图 1 4 1 a n s y s 模块 a n s y s 分析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) 、流体动力学分析以及多物理场的耦合分析；后处理模块可将计算结果 以彩色等值线显示、梯度显示、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。 1 4 2 a n s y s 分析类型 a n s y s 软件提供的分析类型如下：( 1 ) 结构静力分析，用来求解外载荷引起的 位移、应力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。( 2 ) 结构动力学分析，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影 响。( 3 ) 结构非线性分析，结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例 变化。( 4 ) 热分析，可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递 的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟热 与结构应力之间的热结构耦合分析能力。( 5 ) 电磁场分析，主要用于电磁场 问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、 运动效应等。 1 4 3 a n s y s 二次开发简介 a n s y s 的a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) 是a n s y s 参数化设计语 言，它是一门专用来自动完成有限元分析操作或通过参数化变量方式建立分析模 第一章绪论 7 型的脚本语言。a p d l 以命令流的方式进行工作，允许复杂的数据输入，使用户实 际上对任何设计或分析属性有控制权。扩展了传统有限元分析范围以外的能力。 a p d l 可用来完成一些通用性强的任务，也可以用于根据条件来建立模型，不仅是 优化设计和自适应网格划分等a n s y s 经典特性的实现基础，也为日常分析提供了 便利【3 1 。 用户可以利用程序设计语言将a n s y s 命令组织起来，编写出参数化的用户程 序，从而实现有限元分析的全过程：即建立参数化的c a d 模型、参数化的网格划 分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控 制和求解以及参数化的后处理。最后生成a n s y s 能执行的宏文件( ：l c m a c ) ，只要 调用这个宏文件即可实现自动分析。 1 5 本文所做的工作 论文完成了基于a n s y s 的电磁式位移传感器结构仿真分析，包括传感器动力 仿真分析和传感器电磁绕组热仿真分析，并对分析结果进行提取和处理。整个分 析、数据处理过程写成二次开发脚本，供集成设计系统调用。论文主要内容包括： 1 电磁式位移传感器集成设计系统相关的知识和概念：集成设计系统是在协 作设计需求背景下开发的，是协调传感器结构分析、电磁分析、优化设计、 容差分析的综合系统。论文详细讲述利用a n s y s 的二次开发脚本完成传感 器结构性能分析模块。 2 研究了电磁式位移传感器结构性能仿真的建模技术：解决了传感器仿真分 析模型简化、参数化模型的建立、连杆与骨架之间| 1 自j 隙的处理、热处理中 动态信息的获取等技术问题。 3 研究了电磁式位移传感器的参数化仿真分析技术：利用a n s y s 的二次开发 脚本和c b 开发环境实现了传感器结构性能分析模块，包括模态分析、谐 响应分析、瞬态冲击分析、随机振动分析、热分析。所有模块都可以自动 完成分析。 4 完成了传感器分析模块的集成：运用二次开发技术充分挖掘出各个商业软 件的功能，把驱动各个商业软件的数据和软件生成的数据在各个模块之间 进行传递，实现电磁式位移传感器集成设计系统的功能。具体做法是利用 程序把结构仿真分析结果进行相关处理和输出，以特定的格式传递给电磁 性能仿真分析。 第二章集成设计系统的框架 9 第二章集成设计系统的框架 2 1 集成设计系统总体实现思路 为了实现集成设计系统的各个功能，我们利用模块化设计的方法，把系统划 分为电磁分析模块、动力分析模块、热分析模块、u g 机械设计模块、优化模块、 容差分析模诀。各个模块之间通过数据交流的方式进行联系。而实现数据的交换 是通过该集成设计系统。电磁式位移传感器集成设计系统是一个复杂而缜密的大 型产品数据管理软件系统。该系统涉及的产品模块多，运用的工具多，涉及的知 识领域范围广。总之，系统是一个庞大而相互紧密关联的工程作业。要实现这样 的一个复杂系统需要统筹各个模块和各个功能。集成设计系统的设计思路是：首 先在a n s y s 分析软件中根据电磁式位移传感器尺寸参数化生成某型号的传感器模 型，在a n s y s 中进行相关的动力分析或热分析。把分析后传感器各个部件由于激 励或热引起的变形量传递给后绪的电磁分析，在m a x w e l l 电磁场分析软件中考虑 进传感器产生的变形量而对传感器进行电磁性能的分析，把m a x w e l l 分析的结果 供设计人员参考。在这两个分析进行过程前和后可以在u g 机械设计软件中动态 的生成传感器的三维、二维模型和装配图。最后可以运用优化设计模块和容差分 析模块对传感器进行优化设计和公差配合。 集成设计系统负责完成整个分析、提取的界面管理和数据管理，给出一个信 息平台，该平台可以输出各种参数并把某模块运行得到的数据在其他模块之间进 行传递。 2 2 集成设计系统的模块化设计 由于集成设计系统是一个庞大而有序的系统，所以把各部分用模块化设计的 思想来完成。基于系统要实现的功能，把系统划分为不同的模块。如图2 1 所示： 1 0 电磁式位移传感器结构性能集成设计系统 专家系统支持环境 洲 图2 1 系统的模块结构图 系统包括基于实例的设计、常规设计、电磁性能仿真、结构性能仿真和设计 性能评价等模块。 “基于实例的设计 模块从设计人员获取本次设计的设计需求，根据实例匹 配的相似度，对预先存储在案例库中的设计案例进行优先级排队提供给用户，系 统自动把用户选择的案例作为设计模板，并将该案例的设计参数存储到当前设计 参数表中，生成电磁性能仿真参数化模型。 “常规设计方式”模块从设计人员获取输入的设计参数，存储到当前设计参 数表中，生成电磁性能仿真参数化模型。 电磁性能仿真模块根据设计参数，生成电磁性能仿真参数化模型，并自动对 其进行电磁分析。 结构性能仿真模块根据设计参数，生成结构性能仿真参数化模型，并自动对 其进行结构性能分析，包括热变形分析、冲击响应分析和谐响应分析。 设计性能评价模块负责获取电磁性能分析和结构性能分析结果，并对仿真结 果进行评价。 第二章集成设计系统的框架 2 3 系统工作流程 图2 2 系统的工作流程图 集成系统支持环境工作流程如图2 2 所示。设计人员开始设计时，可以在两种 设计方式中选择。 第一种设计方式是采用“基于实例的设计 方式( c b r ) 。选用该方式，用户 需要输入当前设计参数的取值范围，例如位移传感器的电气行程、激磁电压、激 磁频率、机械行程、输出斜率要求以及和值电压等，系统根据这些设计参数，到 预先建立的工程案例库中进行查找。按照案例的“相似度 对库中的案例进行排 队，找出最匹配的成熟案例。设计人员以该成熟案例为基础，进行一定的修改后 完成当前设计参数的输入。 第二种设计方式是“常规设计方式 。设计人员直接输入设计参数完成设计， 1 2 电磁式位移传感器结构性能集成设计系统 而设计参数的输入又分为手动模式和自动模式两种。手动模式下，设计人员需要 在参数输入界面上输入所有的基本设计参数，包括铁心尺寸参数、外壳尺寸参数、 激磁绕组参数、输出绕组参数等；自动模式下，设计人员只需绕组的绕线线径、 层数等参数，系统根据预先设定的参数计算公式，自动计算其他相关参数的取值， 并在参数输入界面上显示出来。 2 4 异构系统集成 2 4 1 系统异构的基本思想 本系统以a n s y s 和m a x w e l l 等商品化软件为基础进行开发，因此软件之间的 集成工作非常重要。这里采用异构系统集成技术来实现系统的集成：以开发的传 感器专家系统支持环境为主界面，将u g 、a n s y s 和m a x w e l l 软件界面分别作为功 能模块的窗口，嵌入在主界面中。由专家系统支持环境控制整个作业流程，当需 要采用商品化软件的功能时，专家系统支持环境向商品化软件发出指令，商品化 软件在后台完成操作并显示在集成的界面中【1 0 】。 2 4 2 系统异构的实现方案 由于a n s y s 系统是从u n i x 平台移植到w i n d o w s 平台，不支持w i n d o w s 的o l e 技术，因此无法用o l e 技术实现窗口的嵌入。必须用w i n d o w s 底层技术解决问题。 解决的基本方案如图2 3 所示：监控程序不断获取来自w i n d o w s 的消息，如果主 控窗口发生变化，马上进行窗口调整处理。窗口调整的基本过程包括：1 ) 切割主控 窗口的显示区域，使主控窗口的a n s y s 显示区域变为透明；2 ) 调节a n s y s 窗口的位 置和尺寸，使其刚好填补主控窗口的透明区域【1 0 1 。 图2 3a n s y s 界面集成的基本思想 设计系统异构实现效果：应用上述技术方案，实现了类似o l e 的系统集成效 果。在最终用户看来，a n s y s 窗1 2 1 是传感器集成系统支持环境的功能窗1 2 1 ，如图 第二章集成设计系统的框架 2 4 所示。 图2 , 4 集成了a n s y s 窗口的传感器结构分析 弗三章电磁式位移传感器结构性能分析关键技术 1 5 第三章电磁式位移传感器结构性能分析关键技术 3 1 电磁式位移传感器模犁总体分析 电磁式位移传感器是由骨架，电磁绕组外壳连杆、动铁心等部件组成， 如罔31 所示，簸外面为电磁式位移传感器的外壳，足用航空合金材料制作而成。 外壳的功能是保护内部电磁绕组、动铁心、连杆等部件，降低外界如电磁、机械 等因素的干扰。在外壳里面有一个骨架、一个动铁心、一个连杆。骨架的功能是 提供一个支撑激磁绕组的刚性体。骨架两端各有个绝缘挡板，如图3 2 所示。 幽31 某删号电磁位移传堪器结壮j h 成俐 目架外覆盖一层绝缘隔层后，一绕磁性绕线组。磁忭绕线组件由激磁绕组和 输出绕组组成。激磁绕组可近似为个圆筒，如图33 所示，线圈采用垂直绕法。 在激磁绕组上覆盖有一层绝缘隔层，输出绕组有血层( 根据型号不一样，缠绕的 层数也不一样) 并呈阶梯状绕在绝缘薄膜上，图3 3 所示为对称的两个输出绕组。 另外，通常在激磁绕组外加上软橡胶或另加一些线圈( 称补偿绕组) 以改善线性 度。 电磁式位移传感器结构性能集成设计系统 幽3 2 骨架结构图 圈3 3 绕组结构幽 连杆的顶端是动铁心和定位杜，如图3 4 所示。因为在传感器工作过程中连杆、 动铁心、定位柱是作为一个整体来运动的，所以动铁心和连杆可以看成是一个整 体的部件来进行分析，叫做连市t 部件。连杆部件在骨架的内部，传感器就是靠连 杆部件小断切割绕在骨架卜绕组发出的磁场而测量位移的。 图34 连杆结构图 3 2 电磁式位移传感器总体模型的简化 3 21 电磁式位移传感器动力学分析模型简化 骨架与电磁绕组、外壳可以看成一个定子整体连杆和动铁心可以看成转动 部分。在动力学分析中我们主要关心的是动铁心的响应情况，由于动铁心和连杆 第二章电磁式位移传感器结构性能分析芙键技术 1 7 是一个整体的部分，所以研究动铁心的动态响应情况主要就是研究连杆部件。集 成设计系统分析传感器的时候不考虑连杆与骨架之间的摩擦影响，因此在进行模 态振动分析时，可以将传感器总体模型( 如图3 5 所示) 简化为连杆和骨架的作 用关系后的模型，如图3 6 所示。对模型进行简化可以在a n s y s 中减少建模的工作， 最主要的是减少了模型量可以大大的减少a n s y s 网格划分数，增加分析、处理的 效率。经过对比分析可得，模型简化之后计算量约减少了2 0 ，且计算精度可以 得到充分的保证。 幽3 5 传盛器总体模型 幽3 6 传感器动力分析简化模型 321 电磁式位移传感器热学分析模型简化 电磁式位移传感器动铁心为感磁部分，它工作在激磁绕组产生的磁场内，不 断切割激磁绕组产生的磁场，自身产生根据切割位置不同而不同的电信号从而完 成把位移量转换为电信号的功能。激磁绕组为发生磁场的部分，它用于提供一个 让动铁心切割的磁场。感磁部分和发磁部分在传感器工作中起到关键的作用，一 旦某个部分出现问题就会引起整个传感器的工作失效。该类型传感器用于航空飞 行器上，所以安全性要求很高。 传感器的工作环境温度在一3 5 0 c 至2 5 0 0 c 之间，一3 5 0 c 和2 5 0 。c 的极限温度 相对于传感器自身温度差别很大。电磁式位移传感器专家设计系统热学分析主要 电磁式位移传感器结构性能集成设计系统 是考察受外界温差( 温度梯度) 影响引起的电磁绕组变形量和动铁心变形量。所 以专家设计系统的热学分析模型可以简化为骨架、电磁绕组和连杆部件，如图3 7 所示。对模型进行简化，可以在a n s y s 中减少建模的工作，最主要的是减少了模 3 3 电磁式位移传感器骨架与连杆之间间隙的处理 由模型的整体分析可以知道，电磁式位移传感器连杆部件与骨架部件之间加 入了一个定位柱为了减少振动带来的影响。该定位柱半径比连杆半径大，约等于 骨架的内半径，这个定位柱起到减少振动的作用，它的存在使得连轩与骨架之间 存在一个很小的间隙，如图3 8 所示。在对模型进行动力学分析的时候必需考虑这 个间隙的影响。 第三章电磁式位移传感器结构性能分析关键技术 1 9 幽3 8 连杆与目架之间间隙示意幽 33 1 接触分析 电磁式位移传感器工作过程中连杆在轴向作往复运动时会受到外界的冲击、 振动等闲索的作_ i ； j ，诈是由于骨架与连杆之问的这个细小问隙的影响，连杆会跟 骨架发生接触或者碰撞。在a n s y s 分析环境中这种接触和碰撞若不做任何处理， 连杆在受到轴向外其他方向的冲击，振动作用时有可能会越出骨架，这种现象叫 “穿越”。发生穿越就会使得分析过程失去模拟的真实环境。处理这个细小日j 隙时 采用a n s y s 非线性接触分析方法。 在有限元分析中通过指定接触单元柬识别接触方式，这旱我们采用面 而 接触单元模型柬模拟连杆与骨架的接触方式。把连杆和骨架划分为v o l u m e s 部件 类型，再细分为n o d e 部件类型。这样就相当于把两个“体”的部件用“点”柬表 示，运_ e i ja n s y s 提供的面面接触单兀就可以定义连杆和哥架之间的接触了。 把骨架作为h 标面，把连杆作为接触面。在这个接触对中可以设置当两个而接触 时可以穿透的值。在位移传感器的骨架与连杆的接触模型中应该把穿透值设得较 小，从而可以有效模拟真实情况。 3 3 2 接触的脚本实现 如表31 所示为传感器动力分析时模型连杆和骨架之间生成接触对的脚本： 2 0 电磁式位移传感器结构性能集成设计系统 各条语句说明如表3 2 表3 2 连杆和骨架之间生成接触对的脚本语句解释 语句含义 v s e l ，s ，1 选择体单元号为1 的部什( 选择骨架) 选中体单元号为l 的部件中所有点单元( 选中骨架所有点单 n s l v , s ，l 元) c m ，k e , n o d e创建点集合“k e ”( 把骨架的所有点创建为一个点集合k e ) v s e l ，s ，4 选择体单元号为l 的部件并选择其所有点，把所有选中的点 n s l v , s ，1 创建为点集合“g a n ”( 把迮杆部件的所有点创建为一个点集合 c m ，g a n ，n o d e “g a n ”) m p , m u ，1 ， m a t 1 r e a l 3 e t 2 ，1 7 0 e t ，3 ，1 7 4 设置接触模型的参数 r ，3 ，1 ，一0 0 0 l ，o ，o 5 i t m o r e ，0 0 0l ，0 0 0 0 5 ，10 0 0 k e y o p t , 3 。5 ，2 k e y o p t 3 ，9 。0 k e y o p t 3 ，1 0 ，l ! g e n e r a t et h et a r g e ts u r f a c e n s e l ，s ，k e c m t a r g e t , n o d e 以“k e ”点集合创建接触模型的目标面( 把骨架作为接触对的 t y p e 2 目标面) e s l n ，s ，0 e s u r f ! g e n e r a t et h ec o n t a c ts u r f a c e n s e l ，s ，g a n c m c o 卜1 1 ：ac t , n o d e 以“g a n ”点集合创建接触模型的目标面( 把连杆部件作为接触 t y p e 3 对的目标面) 。生成接触对 e s l n ，s 。0 e s u r f a l l s e l 选择所有的单元 f i n i s h 完成前期建模阶段 第三章电磁式位移传感器结构性能分析关键技术 2l 如图3 9 所示，为建立接触对后a n s y s 所示的接触对模型示意图。图中的“小 毛刺 表示产生的接触对。这样在骨架与连杆之间就建立起了接触对，这两个表 面间就建立起一个检测是否发生接触的机制，不会让两个表面发生“穿越”的现 象。如果给连杆一端施加一个合适的位移量则连杆与骨架之间不会发生“穿越”， 从而有效实现模型中间隙的处理。 图3 9 系统生成的骨架与连杆之间接触对示意图 3 4 电磁式位移传感器参数化模型的建立 集成设计系统是一个系统化、集成化的大型分析系统，可以分析一个系列型 号的电磁式位移传感器。这就要求系统是一个开放的、参数化的分析系统，即在 一个系统平台下可以对一个系列不同型号的传感器进行动力学、热学、电磁学仿 真分析。要求位移传感器性能仿真分析在a n s y s 环境下可以根据所给参数分别建 立位移传感器各种类型模型。这个参数化的模型要把各种尺寸，形状参数都考虑 进去，如连杆的长度、半径，骨架的长度等参数。在结构仿真分析开始前就把参 数化模型建立好以适应后续的分析，这是电磁式位移传感器结构仿真分析的基础。 这里采用a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) 参数化设计语言把整个模型 建立过程写成a n s y s 能读取的宏文件( 幸m a c ) ，在需要随着分析类型变化的模型尺 寸处用参数来驱动，将来调用该宏文件时用具体的数值代替参数，从而实现模型 建立的参数化。 3 4 1 模型参数化示例 如下程序段所示： c y l i n d ，a r 9 7 ，a r 9 8 ，0 ，a r 9 9 ，0 ，3 6 0 ， c y l i n d ，a r 9 1 0 ，0 ，a r g l l , a r g ll + a r g l 2 ，0 ，3 6 0 ， c y l i n d ，a r g l3 ，0 ，a r g l1 + a r 9 12 ，a r g l1 + a r g l2 + a r 9 14 ，0 ，3 6 0 ， c y l i n d 语句的使用语法为：c y l i n d ，删历，刷必z l , z e , t h e t a i , t h e t a 2 该a p d l 语句的功能是在a n s y s 工作平面上生成一个以圆心为基准的圆柱体。 其中r a d l 和r a d 2 分别为圆柱外半径和内半径，z l 和z 2 分别为在a n s y s 工作 2 2 电磁式位移传赙器结构性能集成设计系统 平面中z 轴方向的起始位置和结束位置，如图31 0 所示。t h e t a l 和t h e t a 2 分 别为起始角度和结束角度，如图3 1 1 所示。运用这条语句可以参数化的建立圆柱、 圆筒类型的模型。由于该系列电磁式位移传感器的很多结构都是以圆柱体形式构 建的，如外壳、骨架、连杆、动铁心、定位柱。电磁绕组虽然不具备圆柱体的几 何学构建，但是可以把一层一层的电磁绕组抽象为一层层嵌套的圆柱体。所以 c y l i n d 语句在传感器参数化模型建立过程中扮演着很重要的角色。 纱 眦 h31 0c y l n d 语句示意陪i “2 j t l 】e t a i 一 上述生成分析模型a p d l 语句中a r 9 7 ，a r 9 8 。a r 9 9 等一系列标志为a p d l 内部 参数，利用这些参数可以创建出我们所需的模型特征。这些参数可以在宏文件之 间传递数据，从而实现把外部参数传递进a n s y s 分析各过程中。根据r a d i 、r a d 2 、 z 1 、z 2 、t h e t a l 、t h e t a 2 等量可以创建出动力学分析所需要的外壳、骨架、连 杆部件。依此类推用户可以输入线圈骨架壁厚、机械行程、定子长度、输出绕组 线圈的层数等参数，系统会根据用户输入的数据建立相应的模型，如图31 2 所示 为电磁式传感嚣全模型的参数化建立过程示意图。( 1 ) 首先生成传感器内部的动 铁心、定位柱、连杆；( 2 ) 生成嵌套在连杆外面的骨架；( 3 ) 生成骨架两端的两 个绝缘挡板；( 4 ) 生成缠绕在骨架上的电磁绕组；( 5 ) 生成嵌套在最外面以保护 内部结构的外壳。这样一个参数化过程就生成了一个传感器分析模型，进而对模 型进行仿真分析。当用户想要分析另外一个型号传感器时只要更改其相应参数就 可以由系统自动创建模型。 第二章电磁式惶移传感器结构性能分析关键技术 2 3 图31 2 参数化分析模型建立过程 3 42 参数化模型的建立 由模型简化的叙述可以知道动力分析中主要考察连杆和骨架的作用关系，所 以只需要建立动铁心、连杆、骨架模型即可完成相应的分析。a n s y s 程序提供了两 种实体建模方法：自顶向下的建模方法与自底向上的建模方法。自项向下的建模 方法是指直接生成高阶图元，由高阶图元组成实体模型。对传感器整体结构的分 析可以知道该类型传感器主要由圆柱体等高阶图元组成，所以模型建立采用自顶 向下的实体建模方式。 2 4 电磁式位移传感器结构性能集成设计系统 ( 1 ) 传感器动力分析模型生成，其a p d l 语句描述如表3 3 所示： 表3 3 参数化建模程序一传感器动力分析建模脚本 * d o ，i ，0 ，g t 1 b e g i n = i * ( l g - 0 0 0 5 ) g t f i l n a m e 。i 。1 p r e p 7 e t 1 s o l i d 9 2 k e y o p t , 1 5 , 2 i ( e y o p t , 1 。6 0 m p t e m p l ，0 m p d a r a ，e x ，l ，e x x 2 m p d a l r a ，p r x y1 。p r x x 2 m p t e m p 1 ，0 m p d a t a ，d e n s ，1 ，d e n x 2 m p t e m p 1 0 ， m p d a t a ，e x ，2 ，e x x m p d a 7 a jp r x y , 2 。p r x x m p t e m p , ， m p t e m p 1 o m p d a t a ，d e n s ，2 ，d e n x c y l i n d ，0 5 宰d g w ，0 5 幸d g n ，0 ，l g ，0 ，3 6 0 ， c y l i n d ，o 5 宰d g n ，0 ，b e g i n ，l g ，0 ，3 6 0 ， c y l n 、j d ，0 5 幸d t ，0 ，l g ，b e g i n + 0 0 0 5 + l l g ，0 ，3 6 0 ， i e w ，l ，1 ，1 ，l a n g l 该a p d l 程序片段描述了a n s y s 中建立动力分析的传感器模型的过程，动力 分析包括谐响应分析、瞬态响应分析、随机振动分析。程序段的详细说明如表3 4 所示： 表3 4 传感器动力分析建模脚本语句解释 语句含义 枣d o ，i ，0 ，g t - 1循环控制变量，h j 于连杆动态效应 b e g i n = i 幸( l g - 0 0 0 5 ) g t 建立实体模型的起始坐标 f i l n a m e ，i ，1 设置分析文件名 v m e s h ，1网格化体单元1 ( 网格化骨架) e t l ，s o l i d 9 2设置分析材料类型1 k e y o p t , 1 ，5 ，2 设置材料类型l 的相关属性 m p d a t a ，e x ，1 ，e x x 2 设置材料l 的弹性模量( 设置骨架材料弹性模量) m p d a t a ，p r x y , 1 ，p r x x 2 设置材料1 的泊松比( 设置骨架材料泊松比) m p d a t a ，d e n s ，1 ，d e n x 2 设置材料1 的密度( 设置骨架材料密度) 设置材料2 的弹性模量( 设置连杆部件材料弹性模 m p d a t a ，e x ，2 ，e x x 量) m p d a t a ，p r x y , 2 ，p r x x 设置材料2 的泊松比( 设置连杆部件材料泊松比) m p d a t a ，d e n s ，2 ，d e n x 设置材料2 的密度( 设置连杆部件材料密度) c y l i n d ，0 5 奎d g w ，0 5 + d g n 生成骨架 ，0 ，l g ，0 ，3 6 0 ， c y l i n d ，0 5 d g n ，0 ，b e g i n ，l 生成动铁心 g ，0 ，3 6 0 ， 第三章电磁式位移传感器结构性能分析关键技术 2 5 删戮i 淼；：? 峭加9 生成连杆 v i e w , 1 ，1 ，1 ，1 调整观看角度 执行完这段a p d l 程序段后在a n s y s 界面中就会自动生成传感器动力分析的 参数化模型，如图3 1 3 所示。 削313a n s y s 环境下运行脚木文仆得到的动力分析传感器模型 ( 2 ) 传感器热分析模型生成。由上分析知道传感器在进行热学分析时可以把 模型简化为骨架、电磁绕组和j 圭杆部什之问的作用关系。与