參數(shù)化稱重傳感器標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 機械工程學院， 陜西 漢中 723000)

參數(shù)化稱重傳感器標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 機械工程學院， 陜西 漢中 723000)

以稱重傳感器誤差標定裝置不會對稱重傳感器標定精度產(chǎn)生影響為條件，首先通過ProE建立托架的參數(shù)化三維模型，然后通過有限元軟件仿真分析，得出托架的應力、應變分布情況。以托架方鋼橫截面寬度與壁厚為輸入?yún)?shù)，托架應力、應變、質量為輸出參數(shù)，在ANSYS Workbench平臺上得到托架質量、應力、變形與輸入結構參數(shù)之間的關系，并以有限元分析的結果為標準對托架進行了優(yōu)化設計。結果表明，通過有限元分析及優(yōu)化設計，托架重量減少了約7.12%。

托架； ProE； ANSYS； 稱重傳感器； 誤差標定

傳感器在測量、控制以及信息等領域使用越來越廣泛，隨著傳感器的設計和制造等方面技術水平的不斷提高，為了提高稱重傳感器的精度、可靠性，對稱重傳感器進行標定是非常必要的[1]。如何設計傳感器檢測設備已成為目前機械行業(yè)研究熱點之一。

由于托架的穩(wěn)定性對稱重傳感器誤差標定的精度有著重要影響，目前國內外學者，主要采用理論分析及試驗的方法對托盤的結構及性能進行研究[2]。由于實驗研究方法成本較高，理論分析是目前比較有效的方法，國外如RATNAM M M等[3]研究了托盤的靜態(tài)變形，國內如韓變玲等[4]利用有限元分析技術對塑料托盤進行仿真研究。傳統(tǒng)的稱重傳感器誤差標定裝置存在稱重傳感器標定裝置重量偏重、氣缸砝碼加載過程穩(wěn)定性差、測試效率低、測試誤差大等缺點，托架作為稱重傳感器標定裝置主要部件之一，主要承受其他部件的重量，其結構的分析及優(yōu)化對于提高稱重傳感器的便利性、測試精度及測試效率意義重大。

本文為了縮短稱重傳感器的設計周期，降低成本[5]，利用ANSYS有限元分析軟件在不破壞托架材料強度的情況下，以減小托架質量為設計目標，對托架結構尺寸進行優(yōu)化設計，保證了托架設計的可靠性[6-8]的同時，也為其他傳感器托架的設計提供了一定的理論參考。

1 稱重傳感器誤差標定裝置工作原理

稱重傳感器誤差標定裝置的總體結構如圖1所示，標定基本工作原理如下：

1.托架；2.Y坐標直線導軌運動機構；3.氣缸砝碼組機構；4.托盤；5.氣缸夾具夾緊機構；6.托盤抬升機構；7.稱重傳感器；8.X坐標直線導軌運動機構圖1 稱重傳感器誤差標定裝置結構圖

首先固定好稱重傳感器，砝碼加載時首先要確定好砝碼的加載位置，然后利用X、Y坐標運動機構來移動氣缸砝碼組機構，將氣缸砝碼組機構移動到合適的加載位置上方，首次加載砝碼組到托盤正中間，然后在氣缸驅動下氣缸砝碼組機構將砝碼以V=200 mm/s的速度勻速加載到托盤上，再對4個角的位置進行加載。當砝碼加載到托盤上時，電腦軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)。

2 參數(shù)化托架模型與有限元靜力學分析

2.1 參數(shù)化托架模型

通過三維軟件ProE建立托架的參數(shù)化三維模型圖2所示，托架的結構參數(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托架的剛度與強度有重要影響。托架材料采用Q235方鋼，截面尺寸如圖3所示。

2.2 有限元靜力學分析

在有限元分析時，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)過有限元網(wǎng)格劃分共有151 812個節(jié)點、78 746個單元。有限元模型如圖4所示，在實際工作情況下托架的具體受力情況如圖5所示，通過對托架模型進行靜力學分析，得到的結果如圖6所示。

從圖5可以看出，托架在實際工作中底部與地面固定，兩個滑塊受到XY方向運動機構1 500 N的集中力，托架上部分受到電機以及絲杠螺母進給裝置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) 應變云圖 (b) 應力云圖圖6 托架變形、應力云圖

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，最大應力為18.256 MPa，發(fā)生在滑塊與導軌接觸部分，托架其他部分的應變量和應力值較小，表明本稱重傳感器托架結構滿足剛度要求，使用安全性高，滿足設計要求。為了提高稱重傳感器的測試精度及效率，減輕重量，在對稱重傳感器進行有限元分析的基礎上，接下來的重點是對傳感器的托架進行優(yōu)化設計。

3 托架的結構優(yōu)化及結果

本文托架優(yōu)化研究過程中，采用ANSYS Workbench下的多目標優(yōu)化求解方法[9]對托架方鋼截面尺寸進行優(yōu)化設計。優(yōu)化設計的步驟為：首先定義好狀態(tài)參數(shù)以及求解的目標參數(shù)，再查找方鋼截面尺寸參數(shù)對托架重量、強度、剛度等參數(shù)的影響，最后選擇最優(yōu)結果得到托架方鋼截面尺寸最合理的設計點，從而得到方鋼截面尺寸最優(yōu)化設計方案[10-13]。

托架方鋼截面尺寸對托架的應力、應變和質量有重要影響，選擇合適的方鋼橫截面尺寸尤為重要?，F(xiàn)設計出一種簡單易行的優(yōu)化方案，通過改變托架方鋼的橫截面寬度L和壁厚T的大小，利用ANSYS Workbench平臺中的Design Ex-ploration模塊對托架進行優(yōu)化設計。在對托架進行優(yōu)化設計的過程中不需要反復修改托模型的尺寸參數(shù)，只需設置好托架的設計變量以及其響應參數(shù)的限定條件，就能對托架的結構進行優(yōu)化設計。本文選擇ANSYS Work-bench Design Exploration模塊里MOGA方法進行優(yōu)化。MOGA方法的一大優(yōu)勢是此方法能夠對最優(yōu)參數(shù)進行自動篩選。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。以托架的最大應力、最大應變和托架質量作為優(yōu)化目標，根據(jù)實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，通過優(yōu)化設計模塊計算得出輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)的關系，如圖7—圖10所示。

圖7 質量與優(yōu)化參數(shù)響應云圖 圖8 托架最大變形與優(yōu)化參數(shù)響應云圖

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

從圖7可以看出，方鋼的壁厚對托架質量影響較小，橫截面的寬度對托架質量影響較大，適當?shù)販p小方鋼橫截面寬度可以降低托架的質量。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，而方鋼截面寬度對托架最大變形的影響較大，適當?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，托架的最大應力隨方鋼橫截面寬度的增大而減小，適當?shù)卦龃蠓戒摍M截面寬度可以降低托架的最大應力。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值的增加會使托架質量增加，而且參數(shù)DS_L對質量影響最大。由圖10第二、第三欄可以看出參數(shù)DS_L、DS_T的靈敏度值都是負值參數(shù)，DS_L、DS_T值的增加會使托架變形、應力減小，而且參數(shù)DS_L對托架應力、變形影響最大。通過優(yōu)化設計后得到了托架的最優(yōu)參數(shù)：當方鋼橫截面寬度為54 mm，壁厚為13.5 mm時為最優(yōu)解。托架最大應力、變形及質量優(yōu)化前后的變化對比如表1所示。

表1 托架優(yōu)化前后結果對比

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

4 結 論

本文對稱重傳感器標定的核心部件托架進行了有限元分析及優(yōu)化。分析過程中，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對托架進行了結構靜力分析，分析結果表明：托架除頂端和滑塊與導軌接觸部分，應變量和應力值較小，說明稱重傳感器托架結構滿足剛度要求，使用安全性較高。然后設置好ProE與ANSYS Workbench的接口，將參數(shù)化托架模型導入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)化設計模塊的多目標優(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，在保證剛度和強度的條件下減輕了托架重量。與傳統(tǒng)經(jīng)驗方法設計托架相比，本文運用有限元方法縮短了托架設計周期，降低了生產(chǎn)成本，使設計的托架可靠性大大增加，避免了稱重傳感器誤差標定裝置托架結構設計過程中的盲目性，提高了設計效率。

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[責任編輯：魏 強]

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

陜西省科技廳科學研究計劃項目(2016JM1030)；陜西省縣域重點科技計劃項目(2012XY-15)；陜西理工學院人才啟動項目(SLGQD13(2)-21)

馮博琳(1992—)，男，陜西省富平縣人，陜西理工大學碩士研究生，主要研究方向為機械電子工程；[通信作者]王軍利(1977—)，男，陜西省寶雞市人，陜西理工大學講師，博士研究生，主要研究方向為機械振動及氣動彈性。

TH123+.2; TP212

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