地磅称重传感器弹性元件的设计与研究

弹性体是地磅应变式称重传感器的关键部件，对其合理的尺寸设计，是保证传感器性能如线性度、灵敏度的关键。经典的传感器弹性体设计方法是以解析法设计，其设计周期长、效率低、废品率高。采用 Ansys workbench 有限元优化设计法，对传感器的弹性体尺寸设计及优化，有效避免了解析法设计的不足，且能模拟工况加载，确定弹性体应力应变敏感区，找到贴片位置，提高传感器的设计效率。

随着现代科技的发展，自动化在日常生活中运用越来越普遍，作为实现自动采集数据的主要设备—传感器，在日常生活中广泛应用。应用的广泛性带动对其性能的严格要求，高的灵敏度、精度是最基本的性能要求。尺寸的合理设计才能保证基本性能。

本文以地磅称重传感器某型号为例，利用有限元方法对弹性体进行了尺寸优化设计。

1.称重传感器的原理

如图 1 所示为称重传感器结构图，称重原理如下：重物放在称重托盘 1 上，弹性体 2 左侧与称重托盘螺栓固定，右侧与称重底座 3 螺栓固定。弹性元件在重力作用下发生变形，带动粘结在弹性体孔内 a、c、b、d 处的应变片发生应变，再经过测量电路的放大和数据转化，便可显示重物的质量。设计的重点是合适的孔径使得加载后应变最大，并保证在量程内弹性体不会损坏。孔设计以应力集中为原则，保证应变片的贴片区域加载后应变最大，实际上就是建立较好的应变与载荷的一一对应关系。

2.弹性元件优化参数设定

应用于称重和测力领域的称重传感器，承受拉压和弯曲变形。双孔平行梁型具有对加载方式和受力点移动不敏感 抗偏心和侧向力等优点，符合设计需求。所以选择内部双孔结构的平行梁型结构作为弹性元件结构。该结构的几何尺寸可用低阶曲线如直线和圆弧线来描述，将结构尺寸和圆弧半径用变量表示即可得到参数化模型，如图 2 所示。

弹性元件的尺寸可用 x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8 决定，不同的设计变量值对应不同的设计，倒圆角在此设计中不重要，不做设计。而在这些尺寸中，x1、x2、x3、x7、x8 的尺寸为已知，称为独立变量。x4、x5、x6 尺寸需要优化后确定，为非独立变量。各尺寸间的关系为：

3.有限元三维设计及静态特性分析

在 ANSYSworkbench 里建立有限元模型如图 3所示，并对非独立变量 x4、x5、x6 参数化设置 。

有限元分析中网格的划分直接影响求解准确性及顺利程度。静力分析时，如只需要形状的变化，则网格划分疏些；如需要计算应力，则网格划分相对要密些。网格多计算速度慢，计算时间长；网格少，计算时间短，分析结果不够准确。因此，若能满足准确度要求的前提下，选用网格少划分方式。本文综合考虑弹性体结构选择自动划分网格，但对应力集中部位孔周围进行局部细化。节点数为 33 078，单元数 19 040.

在进行有限元应力应变分析时，首先确定材料属性。弹性体材料为 2A12 铝合金；弹性模量 E = 71 GPa，泊松比 = 0.3，弹性极限 = 425 MPa；弹性体单侧固定在托盘上，另一侧与载重板螺栓连接，可简化为悬臂梁结构的有限元加载模，F = 400 N.弹性体应变如图 4 所示。

根据应变云图可以看出，最大应变发生在右侧孔径内侧，最大应变 0.0016 小于材料最大应变

0.006，因此在优化尺寸时可以将应变作为目标变量，设定为参数。在此基础上对孔径 x5 及孔中心到左右两侧距离 x4 进行优化，优化的结果见图 5.

4.结果分析

由优化表及优化曲线可以看成，在孔半径 x5 = 8 mm，两孔中心到左、右侧边界距离 x4 = 32 mm 时，应变最大。将此尺寸结合给定尺寸后再次进行应力分析。

ε1、ε2、ε3、ε4 分别为贴应变片部位 a、c、b、d 处最大应变值。

优化前后对比可知，优化后的平均应变大于优化前的平均应变，在载荷不变的前提下，应变大小与应变片的变形程度有关，应变越大，弹性体变形越大，弹性体的灵敏度越高。

5.结束语

用有限元的方法对弹性体参数化设计、分析，既能迅速的分析弹性体的尺寸变化对应变的影响，找到应变最大部位，提高了弹性体设计的准确度，又能根据工况快速设计不同量程的弹性体，使得设计周期大大缩短，提高企业生产效率，应用前景广阔，对未来弹性体更精确度设计具有参考作用。