基于有限元模擬的雙分量傳感器設(shè)計研究

李海根

（福建肯特計量科技有限公司，福建 福州 350000）

高強螺栓是大型樓房建筑、大型鋼結(jié)構(gòu)橋路、大型工程機械不可缺少的關(guān)鍵元件。在工程建設(shè)中，一般采用額定扭矩的電動扳手對高強螺栓施加較精準(zhǔn)的預(yù)緊扭力，從而使連接件上產(chǎn)生預(yù)壓力[1]。被固定的連接件在預(yù)壓力的作用下，連接件與墊板間以及連接件間的接觸面便產(chǎn)生較大的摩擦力。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論，當(dāng)連接件間的相互作用力小于此摩擦力時，連接件便不會產(chǎn)生滑移，連接結(jié)構(gòu)整體便能保持穩(wěn)定。為保證其連接的安全可靠，GB/T 1231-1991《鋼結(jié)構(gòu)用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》和GB/T 50205-2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》對高強螺栓連接副扭矩系數(shù)大小有嚴(yán)格的技術(shù)要求。

對于高強螺栓的檢測，過去普遍分別使用一只力傳感器和一只扭力扳手分別對螺栓的軸向力和扭矩進行測定，存在測量準(zhǔn)確度差、檢測效率低等問題。螺栓檢測儀的出現(xiàn)雖然提高了檢測效率，但是其分別采用一只力傳感器和一只扭矩傳感器來分別檢測軸向力和扭矩的測量方法，忽略了力傳感器與扭矩傳感器之間連接結(jié)構(gòu)的摩擦力影響，從而影響了檢測精度。所以，為了保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須研究一種力、扭轉(zhuǎn)組合的雙分量傳感器，以實現(xiàn)對高強螺栓的一體化組合測試[2]。

據(jù)了解2012 年，僅福建省高強螺栓連接副檢測量已在200 萬套以上，其創(chuàng)造的經(jīng)濟價值達到10 億元。所以，該傳感器的成功研制和推廣應(yīng)用將為提高高強螺栓副檢測水平提供重要的技術(shù)保障，不僅服務(wù)了民生發(fā)展，而且市場前景廣闊，具有深遠(yuǎn)的社會效益和重大的經(jīng)濟效益。本文設(shè)計了一種力、扭矩組合式雙分量傳感器結(jié)構(gòu)，并對其進行有限元模擬分析，尋找出最佳應(yīng)變片的貼片位置，在保證足夠強度和剛度的前提下，獲得高的測量準(zhǔn)確度，驗證了復(fù)合式雙分量傳感器設(shè)計的準(zhǔn)確性。

1 傳感器設(shè)計

雙分量（力、扭矩）傳感器彈性體由一個厚壁圓筒和四根方形截面桿組合而成。厚壁圓筒結(jié)構(gòu)用來對軸向力實現(xiàn)測量，而桿結(jié)構(gòu)用于對扭矩實現(xiàn)測量。傳感器彈性體結(jié)構(gòu)可以采用數(shù)控加工中心整體銑出，結(jié)構(gòu)精度高，成本低。為滿足高強螺栓的檢測要求，所設(shè)計的雙分量傳感器，其力值測量范圍為50kN～500kN，扭矩測量范圍為100N·m～2kN·m。

1.1 厚壁圓筒設(shè)計

為提高傳感器的強度和抗疲勞特性，該傳感器選用40CrNiMo 高合金鋼[3]。該材料的強度極限為σ=1100MPa，彈性模量為E=210GPa，比例極限為σ=800MPa，泊松比μ=0.29。該傳感器使用電阻應(yīng)變片來傳感測量應(yīng)變，為最大程度降低應(yīng)變片膠層的漂移和蠕變[4-5]，設(shè)定額定應(yīng)變[ε]=1000×10-6。

彈性體結(jié)構(gòu)承受軸向載荷時，力P、軸向應(yīng)力σ 和面積A 之間的關(guān)系為：

因此，受力為額定載荷的1.5 倍時，其最大應(yīng)力為217MPa。該應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于彈性體材料的比例極限和臨界應(yīng)力11517MPa，所以，該圓筒在軸向力作用下不會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

滿量程時的軸向應(yīng)變?yōu)?

1.2 桿設(shè)計

如圖1 所示，傳感器扭矩采用四根方形截面的桿作為彈性體進行測量，當(dāng)傳感器承載扭矩載荷后，四根桿件發(fā)生彎曲，桿件兩端截面處的彎矩最大，所以，將應(yīng)變片粘貼在距桿端a 處。

圖1 桿式和柱式組合結(jié)構(gòu)雙分量傳感器應(yīng)變片貼片圖

2 有限元模擬分析

為了計算得到在力、扭矩共同作用下，復(fù)合式傳感器彈性體的應(yīng)變和應(yīng)力分布情況，探究力、扭矩之間相互耦合的影響量，本文對該力、扭矩復(fù)合式傳感器彈性體進行了有限元模擬分析。

采用有限元商用軟件——ABAQUS，采用二次四面體網(wǎng)格對彈性體進行網(wǎng)格劃分，劃分123497 個單元，劃分結(jié)果如圖2 所示。

圖2 力、扭矩復(fù)合式傳感器彈性體有限元網(wǎng)格模型

將厚壁圓筒底面完全固定約束，在傳感器上表面施加均布的500kN 軸向力，在圓盤外邊緣施加2kN·m扭矩。

2.1 僅施加軸力

如圖3 和圖4 所示，該雙分量傳感器在500kN 軸向力作用下，彈性體的環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變主要集中在彈性體結(jié)構(gòu)圓筒的中間部位，而且四根方形桿表面上的形變很小，應(yīng)變值不超過1×10-5。在圓筒彈性體結(jié)構(gòu)的中間部位排布8 枚彈性體分別為R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8，用于測量軸向力。

圖3 軸向力作用下傳感器彈性體軸向應(yīng)變分布云圖

圖4 軸向力作用下傳感器彈性體環(huán)向應(yīng)變分布云圖

表1 為僅施加軸向力時，彈性體圓筒結(jié)構(gòu)上應(yīng)變片將要排布位置的應(yīng)變量，其中，R1、R2、R7、R8 測量的應(yīng)變?yōu)檩S向應(yīng)變，R3、R4、R5、R6 測量的應(yīng)變?yōu)榄h(huán)向應(yīng)變，數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)與理論分析設(shè)計結(jié)果基本相符，由此表明彈性體的圓筒部分能夠滿足設(shè)計要求，用于軸向力的測量。

表1 彈性體圓筒上電阻應(yīng)變片粘貼位置的應(yīng)變值

表2 為僅施加軸向力時，彈性體桿上應(yīng)變片排布位置處的應(yīng)變量，從表中可以看出，在軸力的作用下，桿上應(yīng)變片粘貼位置處的應(yīng)變量都很小，基本小于3×10-6，由此可以看出軸向力對桿上用于測量扭矩的電阻應(yīng)變片的影響很小。

表2 彈性體桿上電阻應(yīng)變片粘貼位置處的應(yīng)變值

2.2 僅施加扭矩

圖5 扭矩作用下傳感器彈性體結(jié)構(gòu)軸向應(yīng)變分布云圖

表3 彈性體桿上電阻應(yīng)變片排布位置處的應(yīng)變值

表4 彈性體結(jié)構(gòu)圓筒上應(yīng)變片粘貼位置處的應(yīng)變值

3 結(jié)論

本文通過理論分析設(shè)計了一種應(yīng)用于高強螺栓檢測專用的雙分量傳感器，采用有限元軟件ABAQUS 進行模擬，建立傳感器應(yīng)力-應(yīng)變模型，分析彈性體的應(yīng)力應(yīng)變情況，并尋找最佳應(yīng)變片的貼片位置，在保證足夠強度和剛度的前提下，獲得較高的測量準(zhǔn)確度，進一步驗證了復(fù)合式雙分量傳感器設(shè)計的準(zhǔn)確性。