崔傳真，何 維

（欽州學(xué)院廣西高校臨海機(jī)械裝備設(shè)計(jì)制造及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，廣西 欽州535000）

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設(shè)計(jì)與計(jì)算

基于ansys車輪力傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

崔傳真，何 維

（欽州學(xué)院廣西高校臨海機(jī)械裝備設(shè)計(jì)制造及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，廣西 欽州535000）

摘要：車輪在行駛過(guò)程中載荷情況較為復(fù)雜，采用經(jīng)典力學(xué)的計(jì)算方法往往有很大的局限性。建立了一組多個(gè)車輪力傳感器彈性體的有限元模型，然后對(duì)彈性體進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，最后使用MATLAB軟件對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行擬合，得到應(yīng)變與變形梁寬的關(guān)系，再以優(yōu)化約束條件最終計(jì)算出尺寸優(yōu)化結(jié)果并加以驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：車輪力傳感器；彈性體；有限元分析

車輪力傳感器（WFT）在汽車道路試驗(yàn)中起著非常重要的作用，它是汽車道路試驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分[1]。而汽車運(yùn)動(dòng)是地面與車輪的作用產(chǎn)生的，測(cè)量汽車行駛過(guò)程中車輪上各維載荷的變化，對(duì)研究與評(píng)價(jià)汽車動(dòng)態(tài)性能有很重要的意義。利用車輪力傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)還可以進(jìn)行路面不平度的研究。國(guó)外從上世紀(jì)八十年代中期開(kāi)始研究車輪力傳感器，用于汽車道路試驗(yàn)系統(tǒng)的研究。由于汽車實(shí)際行駛過(guò)程中[2，3]，其車輪受到六維力的作用，輪力傳感器的輸出信號(hào)具有強(qiáng)耦合性和非線性時(shí)變，而且車輪的使用環(huán)境和惡劣，空間尺寸的限制，所以輪力動(dòng)態(tài)測(cè)量在技術(shù)上難度很大[4]。在我國(guó)，汽車道路數(shù)據(jù)依然采用七八十年代代的老舊技術(shù)，這種技術(shù)顯然已經(jīng)不再符合現(xiàn)在的需要。本文建立了一組多個(gè)車輪力傳感器彈性體的有限元模型，然后對(duì)彈性體進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，最后使用MATLAB軟件對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行擬合，得到應(yīng)變與變形梁寬的關(guān)系，再以優(yōu)化約束條件最終計(jì)算出尺寸優(yōu)化結(jié)果并加以驗(yàn)證。本文為精確掌握車輪與地面之間的作用力及其在各種條件下的載荷分布、分析車輛整車系統(tǒng)對(duì)外力載荷的特性、對(duì)汽車車身和各類零件的設(shè)計(jì)等提供有用的幫助[5]。

1　車輪力傳感器彈性體的建模和分析

本文所研究的車輪傳感器彈性體的材料為40CrNiMoA，其主要的特性如下：

彈性模量Ex=21 000 N/mm2；泊松比u=0.3；密度ρ=7.8×10-6kg/mm3；σs=1 290 N/mm2；σ0.2=960 N/mm2.

使用參數(shù)化方法建模，按照一定步長(zhǎng)變化尺寸，通過(guò)更改參數(shù)分別建立當(dāng)變形梁寬為12 mm，13 mm，14 mm，15 mm，16 mm，17 mm，18 mm，19 mm，20 mm時(shí)的車輪力傳感器彈性體的有限元模型，并分別進(jìn)行分析。按照有限元建模分析的基本順序建模和分析，主要步驟有：建模、網(wǎng)格劃分、約束及載荷加載，求解分析。網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1　網(wǎng)格劃分效果圖

約束及載荷處理：

約束內(nèi)環(huán)16個(gè)安裝孔，在整個(gè)基座的底部施加位移約束（UY=0），在外環(huán)安裝孔上施加載荷，用箭頭顯示壓力值。加載約束及載荷效果圖如圖2所示。

圖2　加載約束及載荷效果圖

求解及計(jì)算結(jié)果分析：

依次選擇 Main Menu＞Solution＞Solve＞Current LS，單擊OK按鈕（開(kāi)始求解），求解結(jié)束后，關(guān)閉信息窗口。依次選擇Main Menu＞General Postproc＞Plot Results＞Contour Plot＞Nodal Solu彈出對(duì)話框，選擇Stress和von Mises Stress，單擊OK按鈕為等效應(yīng)力圖如圖3所示；選擇Total Strain和von Mises total strain，單擊OK按鈕為等效應(yīng)變圖如圖4所示。

圖3　等效應(yīng)力圖

圖4　等效應(yīng)變圖

由圖3、圖4可知最大應(yīng)力為129.244MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.006 15，梁的最大應(yīng)變處，應(yīng)變片粘帖位置在圖中MX處，即最大應(yīng)變處。此處可測(cè)得最準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2　彈性體的優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析

在傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮傳感器側(cè)向剛度，其變形梁在厚度方向（y坐標(biāo)軸方向）應(yīng)有一個(gè)較大的尺寸，由于汽車輪胎螺栓的長(zhǎng)度限制，傳感器在方向有一個(gè)最大尺寸限制，因此，變形梁的厚度尺寸以汽車實(shí)際的輪胎螺栓的長(zhǎng)度確定，而傳感器變形梁長(zhǎng)度尺寸也根據(jù)汽車尺寸給出了相應(yīng)的值，只需要對(duì)彈性體結(jié)構(gòu)中變形梁的寬度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)就可以了。

2.1建立模型

在結(jié)構(gòu)有限元分析中，結(jié)構(gòu)的尺寸變化其有限元模型均要重新建立，因此直接利用有限元建立優(yōu)化模型難度較大?；谝陨锨闆r，采用按一定步長(zhǎng)變化尺寸，建立彈性體實(shí)體模型，分別進(jìn)行有限元模型計(jì)算，將不同尺寸下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到目標(biāo)函數(shù)，再以優(yōu)化約束條件最終計(jì)算出尺寸優(yōu)化結(jié)果。

以不同變形梁寬度建立實(shí)體圖和網(wǎng)格化圖，加載扭矩My=10 000 N·m，利用ANSYS分別計(jì)算變形梁測(cè)量點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變值。計(jì)算結(jié)果如表1.

表1　測(cè)量點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變隨變形梁寬度變化情況

為了找出測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變和變形梁寬度的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以根據(jù)以上數(shù)據(jù)，利用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，得到的模型如式（1）。

式中：y為變形梁寬度（mm）；x為測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變；

其應(yīng)變與梁寬關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5　測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變隨梁寬度變化曲線圖

2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)

在額定荷下，彈性元件的最大工作應(yīng)力應(yīng)處于材料的彈性線性階段，但是測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變量不能太低，根據(jù)應(yīng)變電測(cè)原理，應(yīng)變量在500~1000微應(yīng)變?yōu)橐?，此時(shí)應(yīng)變片電橋的輸出較為合適。

以變形梁測(cè)量點(diǎn)輸出600微應(yīng)變作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。利用MATLAB求出當(dāng)x=0.006時(shí)式（1）的值，得到y(tǒng)=14.2197≈14.2.

為驗(yàn)證梁寬為14.2 mm時(shí)正確性，取梁寬為14.2 mm進(jìn)行建模和有限元分析，所得等效應(yīng)力結(jié)果如圖6所示，等效應(yīng)變結(jié)果如圖7所示，可知加載扭矩My=10 000 N·m時(shí)，變形梁測(cè)量點(diǎn)應(yīng)力值為131.542 MPa，應(yīng)變值為0.006 26，所以經(jīng)過(guò)優(yōu)化可以得到梁的寬度為14.2 mm.

圖6　變形梁尺寸為14.2mm×14mm時(shí)彈性體模型的等效應(yīng)力圖

圖7　變形梁尺寸為14.2mm×14mm時(shí)彈性體模型的等效應(yīng)變圖

若在數(shù)據(jù)擬合時(shí)利用二次曲線還不能達(dá)到規(guī)定的精度，則可利用其它方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，如查詢表、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色模型等，但在通常情況二次曲線就足可以滿足實(shí)際使用的要求。

2.3結(jié)果分析

由于傳感器變形梁長(zhǎng)度和厚度尺寸根據(jù)汽車車型為設(shè)計(jì)給定值，所以變形梁的寬度決定了在相同情況下傳感器所測(cè)得的應(yīng)力應(yīng)變值。理論上，梁寬越大，應(yīng)力最大值應(yīng)該越??；梁寬越小，應(yīng)力最大值應(yīng)該越大。本文證明了這一點(diǎn)。為了在施加同樣載荷下獲得更好的靈敏度即產(chǎn)生的最大應(yīng)力值更大，梁寬應(yīng)該盡可能的減小。但梁寬不可能無(wú)限的減小，因此根據(jù)彈性元件的特性取在允許應(yīng)變范圍內(nèi)的合適應(yīng)變量作為目標(biāo)值進(jìn)行優(yōu)化，得到的梁寬為14.2 mm，再根據(jù)結(jié)果重新建模分析應(yīng)變量，保證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立車輪力彈性體參數(shù)化模型，并確定對(duì)模型進(jìn)行合理的加載方式；利用ANSYS分析軟件分別對(duì)加載10 000 N·m的不同尺寸彈性體進(jìn)行分析，得出應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，并用MATLAB軟件擬合出應(yīng)變與變形梁寬度的關(guān)系；以合適的應(yīng)變輸出靈敏度作為目標(biāo)值，對(duì)彈性體變形梁的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬合優(yōu)化后得到的變形梁的最優(yōu)尺寸為14.2 mm×14 mm，此時(shí)的最大應(yīng)力值為131.542 MPa，最大應(yīng)變值為0.006 26.

參考文獻(xiàn)：

[1]劉廣孚，張為公.車輪力傳感器的側(cè)向力動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法[J].中國(guó)石油大學(xué)，2010，（3）：100-103.

[2]吳家鳴，劉昊宇.不同浪向的波浪載荷作用下導(dǎo)管架平臺(tái)主樁強(qiáng)度分析[J].海洋技術(shù)，2014，33（3）：55-58.

[3]陳章位.聚焦汽車道路模擬試驗(yàn)技術(shù)[J].汽車零部件，2010，（8）：23-25.

[4]李博.基于hyperworks的某雷達(dá)零部件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

[5]李偉.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的間接輸出型車輪六維力傳感器研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

中圖分類號(hào):TP242.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0047-04

收稿日期：2016-01-12

基金項(xiàng)目：廣西高校臨海機(jī)械裝備設(shè)計(jì)制造及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地主任課題基金資助：基于快速控制原型的電動(dòng)叉車EPS控制系統(tǒng)研究（GXLH2014YB-03）；

作者簡(jiǎn)介：崔傳真（1987-），女，山東棗莊人，碩士，助教，主要從事汽車控制系統(tǒng)研究。

Optimal Design of Wheel Force Sensor based on ANSYS

CUI Chuan-zhen，HE Wei
（Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory Breeding Base of Coastal Mechanical Equipment Design，Manufacturing and Control，College of Physics and Electronic，Qinzhou University，Qinzhou 535000，China）

Abstract:Since the wheels in motion the process more complex loading conditions，calculated using classical mechanics tend to have a lot of limitations，using finite element method wheel force transducers elastomer stress and strain analysis to determine the geometry of the elastomer.The text establish a set of multiple finite element model of wheel force transducers elastomer，and then load the constraints and size 10000N*m torque elastomer structural stress analysis，and finally the use of MATLAB software the results were fitted to obtain the relationship between strain and deformation of the beam width，and then to optimize the final calculated size constraint optimization results and verified.

Key words:wheel force transducers；elastomer；ANSYS