ANSYS传感器设计中的应用

2013-06-20 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

作者: 何学科来源: 万方数据
关键字: 钢轨传感器应变有限元 ANSYS

把有限元分析软件ANSYS引入钢轨传感器的设计应用之中,在力学分析的基础上,建立有限元分析模型以及边界约束条件模型,得到弹性体—钢轨的强度极限和应力、应变变化形态等信息,为设计和制造高精度的钢轨传感器提供可靠的理论依据。

钢轨传感器是近年来发展起来的一种电容式传感器,可以用在轨道衡上进行称重,称为称重传感器,也可用来测量钢轨的温度应力,它因有精度高、结构简单、安装维护方便的优点,迅速得到了应用.在进行传感器的设计时,多数仍是利用简化的材料力学公式进行粗略的计算,然后通过试验修正参数,即产品的最终定型以试验数据为依据。采用这种设计方法时,产品设计和开发的周期较长,产品的质量也难以提高。而利用有限元分析技术;,则可以对传感器的结构进行确的计算,对应力场以及应变的分布状况和具体数值、贴片位置的合理性等情况作较全面的了解和预测,从而可以为设计提供可靠、有效的技术支持。

    有限元分析在钢轨传感器中的主要应用在以下几个方面:

    1)设计变截面的钢轨中,可以用来计算校核钢轨的强度和刚度,保证运营安全;

    2)可以计算出钢轨腹板上应变变化最大的区域,在这个区域粘贴应变片,提高传感器的反应灵敏度;

    3)可以计算出在粘贴应变片的方向,应变的变化趋势和具体数据,可以为传感器设计做有益的参考.

本文把有限元分析软件ANSYS引人钢轨传感器的设计应用之中,在力学分析的基础上,建立有限元分析模型以及边界约束条件模型,计算出钢轨的强度极限及确定应力、应变变化的范围,为设计和制造高精度的钢轨传感器提供可靠的理论依据。

1 钢轨传感器刚度和强度计算

选用60 kg/m的标准钢轨来做传感器的载体,材料为普通钢轨钢,材料主要参数如表1。钢轨在受到车轮压力后,由于两端被枕木支撑,钢轨相当于简支梁。在钢轨的下方产生拉应力,在上方产生压应力,在截面上产生剪应力。在不考虑扭转时,轴向应力。与应变二的关系为

σ=Eε(1)

式中:σ为应力,Pa;ε为应变,μm; E为钢轨弹性模量,GPa.

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表1 60Kg/m钢轨材料主要参数

本文采用参数化建模型的方法,钢轨截面模型比较复杂,使用AUTOCAD软件绘制后,导出类型为*. sat文件,然后按照操作:file/import/satfile从AUTOCAD中导人截面图形,再对其进行合理的规划后分成网格,如图1所示.对截面做拉伸操作后就可以得到三维的网格图形.钢轨路基为整体式结构,为了简化计算,假设铁路基础、扣件和垫层为刚性体,对钢轨施加约束条件.轮重压力加载位置在跨度的中点,载荷均匀加载在轨头中线节点上.结果如图2.

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    然后进行静态的求解运算,只考察垂直方向的受力,不考察钢轨的扭转和横向力,计算结果如下:

    最大挠度L =0.098 mm;

    最大应力σmax=230. 7 MPa

根据材料力学的强度校核理论,由计算结果可以看出,σmax<[σ],所以钢轨是安全的.为了增大检测段的长度而拉大跨度或者改变钢轨界面形状时,也可以用这种方法方便快捷地来校核钢轨的强度.

2 预测应变最大区域和应变变化趋势

采用上面所用的钢轨类型不变,为了更详细的观察钢轨腹板上的应变变化趋势,取几个不同的载荷工况来做计算分析,载荷加在钢轨的中间一个跨度上,载荷位置按车轮中心与所取钢轨中跨段端面的距离z的变化从左至右来计,分成如表2的5种不同的工况.

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表2不同工况与载荷位置关系

取中跨段腹板中性线上下两侧距离中性线为5mm位置处直线上的节点来考察等效应变值的变化趋势,并依此为进一步分析的依据.在弹性体上、下两个位置的应变绝对值曲线分别图3和图4,通过曲线可以看出该传感器贴片区的适当位置和变化数值范围.

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图3上贴片位置沿线的应变变化

由图3和图4可以发现,在距离两端各约为120 mm的位置处,应变变化的范围最大.如果在此处粘贴应变片,可以得到最大的输出信号.进一步研究发现,上下应变片的应变变化值(只要按照对称的位置来粘贴)基本相等,并且在载荷位置发生变化的时候,应变片的变化量也是基本相等的.可以把对称位置的应变值取出如表3.

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表3选定位置处的节点应变值

    根据全桥电路的工作原理,电桥电路的输出公式为:

    uo=uixkx(ε1-ε2-ε3+ε4)/4

    式中:ε1,ε2,ε3,ε4为贴片处个应变测得的应变值;

    k—应变片的灵敏系数;

    ui—电桥的输入电压;

    uo—电桥的输出电压.

根据上面的公式和计算数据,假设激励电压15V,应变片灵敏系数为2.2,对应变信号做1000倍的放大后,计算出输出电压值,然后对结果进行线性拟合,得出下面的拟合曲线如图5.

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图4下贴片位置沿线的应变变化

图5是随机采集的5个单点的样本拟合曲线,从这些试验数据来看,采用这样的方法来设计传感器,可以得到基本上准确的输出信号,而且只要采集的样本量达到一定的要求,采用合理的处理技术,完全可以预测出应变变化的情况和电压输出信号的线性程度.这个图像基本显示了传感器电压变化的趋势,即由小变大,接近维持不变一段时间(距离),然后渐渐减小的过程.

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3 结论

本文采用有限元分析软件ANSYS对钢轨传感器的受力变形和指定位置处的应变变形分析计算可知:

    1)可以很方便快捷的校核钢轨的强度.

    2)在粘贴应变片的时候,应选定应变变化最大的位置(距离两端各约120 mm处)来做粘贴应变片的中心位置.

    3)可以确定出最大应变值和最小应变值之间的变化范围,据此可以在选择应变片型号的时候做参考.

    4)在设计惠斯顿桥电路物时候,只要事先知道电阻变化的范围和极值,就可以通过样本拟合曲线知道电压或者电流信号的变化范围和极值.

本文主要的意义在于可以为传感器的设计提供有益的参考,突破了传统的设计一制造一试验的研究框架,从而提高了设计质量,缩短了设计时间.总之,把有限元分析软件ANSYS引进传感器设计应用中,是使传感器设计走向高效、智能化的有效途经.

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