復合纖維材料中壓力傳感器的應力分析和優(yōu)化

唐 雯, 沈 斌

(同濟大學 中德學院，上海 201804)

復合纖維材料中壓力傳感器的應力分析和優(yōu)化

唐 雯, 沈 斌

(同濟大學 中德學院，上海 201804)

在流量控制系統(tǒng)中，需要在由復合纖維材料制成的機翼中嵌入壓力傳感器。由于機翼結構會對壓力傳感器的性能產生影響，因此，通過有限元分析軟件對該模型在一定拉力作用下的應力情況進行模擬，發(fā)現(xiàn)在壓力傳感器的邊緣出現(xiàn)了應力集中。通過3種改進設計，可以降低或者消除應力集中，即對傳感器的4個外直角進行倒棱操作；將傳感器旋轉45°后嵌入；在傳感器外圍黏合鋁合金薄片。在對上述3種優(yōu)化方法進行有限元分析模擬后，發(fā)現(xiàn)在傳感器外圍黏合鋁合金薄片有效提高了傳感器的抗拉強度，消除了應力集中。

復合纖維材料； 壓力傳感器； 應力集中； 有限元分析； 傳感器設計優(yōu)化

0 引 言

未來，飛機控制系統(tǒng)的重要性將進一步增加，因此研究中心SFB 88o目前正致力于研究流量控制系統(tǒng)。該項目的主要目標是研究一種新型的高升力裝置，以提高飛機的上升高度及減少在起飛和降落過程中由于機翼振動而產生的噪聲。其高升程利用康達效應實現(xiàn)，因此，在機翼端部會連接一個高度彎曲的翼片(康達翼)。為了避免空氣流與康達翼分離，需要在翼片上施加一個加壓空氣射流，其流量大小的控制由可驅動的機翼邊緣改變排氣間隙大小實現(xiàn)。所需流量大小取決于飛機機翼上方氣流的流動狀態(tài)，該狀態(tài)可以利用壓力和熱膜傳感器來測量[1]。

目前，越來越多的飛機部件采用纖維復合材料，比如新空中巴士A350。在加工這種纖維復合材料的過程中，可以直接內嵌功能元件(如傳感器)，從而制造一種智能復合結構。但是，這種封閉無極的結構也有其缺點，主要是纖維復合材料的結構對傳感器施加的拉應力和扭矩對其性能造成了干擾。

本文對纖維復合材料中壓力傳感器進行了應力分析，并實驗對比了3種優(yōu)化方法消除應力集中的影響，發(fā)現(xiàn)通過對壓力傳感器添加金屬薄片效果最好。

1 壓力傳感器工作原理

研究中心研發(fā)的壓力傳感器采用壓阻效應,即電阻在壓力或者拉力作用下電阻值發(fā)生了改變,改變由兩部分構成，一部分是由材料自身的形變(長度和橫截面積的改變)導致，一部分是由材料自身電阻率的改變導致。其比例關系如式(1)[2]

(1)

式中 v為泊松比；π為壓阻系數；E為彈性模量。在半導體材料中，其電阻值改變主要由電阻率的改變引起，此時由于形變導致的電阻值變化可以忽略，其變化量主要取決于π和材料的E。

傳感器橫截面如圖1所示，玻璃基座中央的空腔與上面覆蓋的硅晶片構成了一個薄膜區(qū)域。當整個晶片上方受到壓力或者拉力作用時，會在空腔對應的薄膜四周產生最大的拉應力或者壓應力[3]。

圖1 壓力傳感器截面圖及拉力作用下的傳感器

在圖2所示a,b,c,d4個位置進行合理的壓阻電阻布置。當薄膜受到壓力作用時，縱向電阻在縱向上伸長，橫向電阻在橫向上伸長，由于壓阻電阻縱向和橫向上的壓阻系數不同，所以縱向電阻和橫向電阻的電阻變化不同，通過惠斯通電橋[4]即可根據電壓變化測出傳感器所受壓力大小。

圖2 壓力傳感器壓阻電阻布置

2 有限元分析

為了研究當壓力傳感器嵌入復合纖維材料后傳感器的受力情況，在ANSYS Workbench中導入一個簡化的試件模型，模擬整個試件在拉伸實驗中傳感器的拉應力—應變情況。其具體結構如圖3所示。

圖3 試件模型結構

2.1 材料屬性

在對該結構進行應力情況分析時，首先需要各組成材料的彈性屬性，才能計算出一定拉力下的試件應力分布。

玻璃和纖維復合材料的參數見表1。

表1 玻璃和纖維復合材料參數

2.2 定義接觸類型

在3維模型中，傳感器的玻璃基座和硅晶片以及復合纖維材料制成的基體之間均互相獨立，在有限元分析軟件中被賦予不同的材料屬性。在ANSYS中進行拉應力-應變分析時，需要根據實際情況定義不同材料的接觸方式。實際制造時玻璃基座和硅晶片及傳感器和復合纖維材料都是通過黏合劑組合在一起，所以，在有限元分析中默認接觸方式為綁定(bonded)[7]。

2.3 定義約束類型

由于在拉伸實驗中試件僅在一端受到拉力作用，并且只在拉力方向上有一個平移自由度，所以，在ANSYS中定義約束類型時，需要將試件的一個端面定義為固定約束(fixed support)，在另一個端面施加力，而其余4個面則定義為Displacement(給定位移)，并規(guī)定其只在受力方向上位移自由，其余方向位移受限。約束定義情況如圖4。

圖4 定義約束類型

3 結果分析

當對試件施加1 kN的拉力時，分析結果用最大主應力分布表示。根據文獻[1]的實驗結果，在拉力實驗中，傳感器的硅晶片最先被破壞，所以，圖5中只顯示了硅晶片的最大主應力分布?？梢钥闯?，硅晶片沿著拉力方向的兩邊應力值較大。為了更好探究硅晶片的應力分布，在顯示分析結果時，可以只對硅晶片的兩條中心線(x方向中心線和y方向中心線)進行分析，并根據拉應力值和其所在位置得出如圖6所示的數據分布圖。可以看出：晶片邊緣0.1 mm的范圍內，應力提高了大約80 MPa；在薄膜區(qū)域1.1～1.7 mm兩個方向的應力很接近，說明該區(qū)域的應力分布較為均勻，兩個方向的應力差對于傳感器信號影響不大。由于存在應力集中，當硅晶片邊緣的應力達到應力極限時硅晶片將發(fā)生斷裂破損，所以需要對傳感器采取必要的優(yōu)化措施以降低硅晶片邊緣上的應力，即清除應力集中提高了其承受拉力的能力。

圖5 硅晶片的最大主應力分布(拉力：1 kN)

圖6 硅晶片中心線應力分布

4 優(yōu)化措施與結果

4.1 倒 棱

對傳感器進行倒棱加工，即對傳感器的4個外直角進行45°倒角，倒角尺寸為1 mm。模擬結果如圖7所示。在1 kN的拉力作用下，硅晶片的最大拉應力有了一定降低，但是降低幅度并不明顯，僅約20 MPa，并且根據沿其中心線的應力分布如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)應力集中仍然存在。而在薄膜區(qū)域，應力值與倒棱前沒有明顯區(qū)別，說明倒棱操作對傳感器測量信號性能的影響很小。

圖7 倒棱后硅晶片最大主應力分布

圖8 硅晶片中心線應力分布(倒棱前和倒棱后)

4.2 旋 轉

另一個比較簡單的優(yōu)化方法是在將傳感器嵌入復合纖維材料時，將其繞中心旋轉45°，如圖9所示。在1kN的拉力作用下，最大拉應力值降低了大約30 MPa。根據模擬結果中最大拉應力出現(xiàn)的位置(近似為棱邊的中點)，計算出經過該位置的中心線上的拉力值變化曲線，如圖10所示，應力集中的情況仍然沒有得到改善。

圖9 旋轉后硅晶片最大主應力分布

圖10 硅晶片中心線應力分布(旋轉前和旋轉后)

4.3 增加金屬薄片

因為通過在復合纖維材料中添加金屬層可以提高復合纖維材料的抗拉強度[8]，所以,本文在傳感器周圍添加了一個與傳感器同等厚度的金屬薄片，假設它們可以緊密黏合，然后將黏合后的整體一起嵌入復合纖維材料。在有限元分析中設定采用的金屬材料為鋁合金，其密度為2 770 kg/m3，彈性模量為71 GPa，泊松比為0.33。

金屬薄片的邊長相對于傳感器邊長增加了0.4 mm，模擬結果如圖11所示。添加金屬薄片后硅晶片中的最大拉應力降低了大約60 %，其沿中心線的應力分布如圖12所示，顯示了在硅晶片邊緣的應力集中已經被消除。根據圖12，在添加金屬后薄膜區(qū)域的應力有了一定的提高，但是總體仍然相對均勻。

圖11 添加金屬后硅晶片最大主應力分布

圖12 硅晶片中心線應力分布(添加金屬前和添加金屬后)

雖然添加金屬后傳感器的最大拉應力值在同等情況下得到了降低，但是模型的最大拉應力值不再出現(xiàn)在傳感器部分，而是在金屬薄片邊緣。表示隨著拉力的增大，鋁合金可能先達到應力極限，發(fā)生破損，從而影響傳感器中的應力分布。

4.4 優(yōu)化結果

采取上述的3種優(yōu)化方法之后，整個模型的最大拉應力，硅晶片中的最大拉應力和薄膜區(qū)域中的最大拉應力如表2所示。

表2 優(yōu)化結果

5 結 論

可以看出：薄膜區(qū)域的最大拉應力在各種優(yōu)化方法下都沒有太大變化，說明3種優(yōu)化方法對傳感器的測量信號性能影響都不大；添加金屬薄片后，傳感器的抗拉強度得到了顯著提高，但是整個模型的最大拉應力并沒有顯著降低，該最大應力值出現(xiàn)在金屬薄片邊緣，而且?guī)缀跏枪杈凶畲罄瓚χ档?倍，說明當增大拉力時，金屬薄片可能會最先到達應力極限，產生破損，并影響該優(yōu)化方法的結果，這需要在以后的研究中加以注意。

在對整個模型進行有限元分析時，對模型進行了一定的簡化，比如沒有考慮玻璃基座中為黏合劑和導線留出的空位，導致模擬結果可能與實際結果會有一定偏差。并且在模擬中假定金屬薄片和傳感器是綁定連接，因此，在實際操作中還需要解決傳感器與金屬薄片黏合的問題，保證兩者在拉力作用下不會彼此分離。

[1] Schwerter Martin,Leester-Sch?del Monika,Stephanus Büttgenbach,et al.MEMS pressure sensors embedded into fiber composite airfoils[C]∥IEEE Sensors Proceedings,2014:531-534.

[2] 祝宇虹，紀軍紅，孫 寧.橋式硅壓阻器件在氣壓測量中的應用[J].傳感器技術,2005(5):74-76.

[3] 沈思國，丁建寧，潘海彬，等.納米硅薄膜超微壓力傳感器設計與性能研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(10):62-64.

[4] 時子青，陳向東，龔 靜，等.一種新型MEMS溫度傳感器[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011,30(9):149-152.

[5] Hopcroft Matthew A,Nix William D,Kenny Thomas W.What is the Young’s modulus of silicon[J].Journal of Micro-electro-mechanical Systems,2010,19(2):229-238.

[6] Gr?bner D.Integration und Einbettung eines Mikrosensors auf flexiblem Substrat[D].Braunschweig:IMT.2015.

[7] Christof Gebhardt.Praxisbuch FEM mit ANSYS Workbench[M].München: Carl Hanser Verlag.2014.

[8] Ebrahim Moussavi-Torshizi S,Dariushi S,Sadighi M,et al.A study on tensile properties of a novel fiber/metal laminates[J].Materials Science and Engineering:A,2010,527(18-19):4920-4925.

Stress analysis and optimization of embedded pressure sensor in composite fiber material

TANG Wen, SHEN Bin

(CDHK,Tongji University,Shanghai 201804,China)

In flow control system,pressure sensor is embedded in wing in material made of composite fiber of which the structure will affect performance of the pressure sensor.The stress situation of the embedded pressure sensor can be simulated with the help of finite-element-analysis software.The result is,that the stress concentration appears at the edge of the pressure sensor.By improving the design of sensor,the stress concentration can be reduced or eliminated.The improving methods include the chamfer of 4 right-angle corners of sensor,rotation of 45°before embedding,and a peripheral bonding with an aluminum foil.As a result of the finite-element-analysis simulation of these three improving methods,the bonding with aluminum foil effectively improves the tensile strength of the sensor and eliminates the stress concentration.

composite fiber material; pressure sensor; stress concentration; finite-element-analysis; optimization of sensor design

2016—07—23

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0045—04

TP 212.2

B

1000—9787(2017)06—0045—04

唐 雯(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向為生產系統(tǒng)和過程技術。