平板式軋制力傳感器的有限元分析

蔣 寧， 楊其華， 劉鋼海

(中國計(jì)量學(xué)院 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引 言

軋制力傳感器是安裝在軋機(jī)兩側(cè)，測量軋制力的一種大量程稱重傳感器，通過測量軋制力可以監(jiān)測軋鋼設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷情況，保證鋼材軋制的質(zhì)量和尺寸。目前，國內(nèi)軋鋼生產(chǎn)線上使用的軋制力傳感器大多依靠進(jìn)口，價(jià)格昂貴。面對軋鋼企業(yè)對大量程的軋制力傳感器的迫切需求，研制出替代國外產(chǎn)品的大量程測力傳感器成為了國內(nèi)鋼鐵企業(yè)多年來的夙愿。

本文利用有限元分析的方法，根據(jù)傳感器的實(shí)際工作情況施加合理的邊界條件和載荷，通過考察貼片區(qū)域的貼片中心線，解決了深孔貼片深度問題,并且研究了彈性體內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸變化對貼片區(qū)輸出應(yīng)變的影響，為產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 彈性體有限元分析

本文針對的是測量量程為17.5 MN的平板式軋制力傳感器，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 有限元模型建立

為了方便分析，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖紙，首先在Solidworks中建立三維模型，將其保存成x_t格式之后倒入Ansys Workbench中。

圖1 彈性體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1.2 材料參數(shù)輸入

彈性體材料采用40CrNiMoA，材料的基本特性參數(shù)為：密度為7 800 kg/cm3；抗拉強(qiáng)度為950 MPa；泊松比為0.3；屈服強(qiáng)度為835 MPa；彈性模量為210 GPa。

將材料的上述基本特性參數(shù)輸入Workbench中。

1.3 網(wǎng)格劃分

為了研究貼片區(qū)域的應(yīng)力分布情況，用Face sizing指令對深孔內(nèi)表面進(jìn)行網(wǎng)格的精細(xì)劃分，設(shè)置網(wǎng)格大小為2 mm，其他區(qū)域采用默認(rèn)值進(jìn)行劃分。

1.4 設(shè)置載荷與邊界條件

平板式軋制力傳感器安裝在軋機(jī)下支承輥軸承下方(如圖2所示)，傳感器承載方式為上下平面均布受載，通過安裝在傳感器上下面的均壓塊，將壓力均布地加載在傳感器的上下表面。所以，分別設(shè)置彈性體的894 mm×175 mm的上下表面為加載面和約束面。為上表面施加17.5 MN的面載荷，下表面設(shè)置為在X，Y，Z方向上全約束[1,2]。

圖2 安裝結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 貼片深度的分析與求解

平板式軋制力傳感器具有較強(qiáng)的抗過載和偏載的能力，采用深孔貼片方式，并且在每個(gè)深孔內(nèi)粘貼多只應(yīng)變計(jì)(如圖3所示)。從圖3中得知，應(yīng)變計(jì)沿著深孔內(nèi)表面的中心線粘貼，稱這條線段為貼片中心線。雖然粘貼應(yīng)變計(jì)的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)一定的應(yīng)力梯度，但是應(yīng)變計(jì)一般都很小，因此，這個(gè)變化也非常小，可以通過考察這條貼片中心線來解決應(yīng)變計(jì)在深孔中的粘貼深度問題。

圖3 傳感器貼片位置示意圖

利用Workbench可以在機(jī)械結(jié)構(gòu)表面自定義路徑的功能來定義貼片中心線[3]。通過求解得知，深孔內(nèi)表面比彈性體其他區(qū)域的應(yīng)力都要大，由于彈性體上表面受均衡的壓力，所以,其12個(gè)深孔內(nèi)部的的應(yīng)力分布情況基本相同，只需要考察任意一個(gè)深孔貼片中心線即可。求解后貼片中心線應(yīng)力分布曲線如圖4所示。

圖4 貼片中心線應(yīng)力分布曲線

從曲線上可以得出，應(yīng)變計(jì)粘貼在45～175 mm的線段上是最為合適的，該段曲線上應(yīng)力分布很一致(在240～250 MPa之間)，有利于提高傳感器的測量精度。

2 彈性體內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸對輸出應(yīng)變值的影響

由于軋制力傳感器長期工作在過載和偏載的條件下，且工作環(huán)境惡劣，所以，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較特殊(圖5所示)，正是由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，分析內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸變化對輸出應(yīng)變值的影響顯得尤為重要。圖5中D為深孔的直徑；d為旁側(cè)小孔直徑；L為深孔與旁側(cè)小孔的圓心距；θ為L與水平面的夾角。

圖5 彈性體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在前處理模塊中，利用Face split指令[7]，以貼片中心線為中心，在離深孔口大約80 mm處定義一個(gè)3 mm×6 mm的小曲面(與應(yīng)變片的尺寸差不多，圖6所示)，同樣的利用Face sizing指令將該區(qū)域的網(wǎng)格大小設(shè)置為1 mm，求解后取該曲面上所有節(jié)點(diǎn)應(yīng)變值的平均值ε做為輸出應(yīng)變值[5,6]，分析其中只有一個(gè)尺寸變化時(shí)對輸出應(yīng)變?chǔ)诺挠绊懀?jì)算結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖6 求解區(qū)域

圖7 D對輸出應(yīng)變值ε的影響

圖8 d對輸出應(yīng)變值ε的影響

圖9 L對輸出應(yīng)變值ε的影響

圖10 θ對輸出應(yīng)變值ε的影響

計(jì)算結(jié)果表明：深孔直徑D、孔中心矩L、中心距L與水平面的夾角θ的變化對輸出應(yīng)變值ε的影響較大，旁側(cè)小孔的直徑d的變化對輸出應(yīng)變的影響相對較小。ε隨著深孔直徑D、旁側(cè)小孔直徑d的變大而減小，隨著中心距L的增加而變大。θ與ε呈反比關(guān)系，且變化非常明顯，在θ=20°時(shí)，ε可以達(dá)到1700×10-6應(yīng)變。若想小幅度提高傳感器的靈敏度，在保證彈性體滿足機(jī)械強(qiáng)度的前提下，可以選擇縮小深孔直徑D、旁側(cè)小孔直徑d或者加大兩孔中心的距離L。若想大幅度的提高靈敏度，可以選擇縮小θ這種更直接的方法[7]。

3 結(jié) 論

對于具有深孔結(jié)構(gòu)的稱重傳感器彈性體，可以在貼片區(qū)域定義貼片中心線的方法解決應(yīng)變計(jì)在深孔中的貼片深度問題。通過研究內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸變化對輸出應(yīng)變值的影響，為平板式軋制力傳感器彈性體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，加快了產(chǎn)品研發(fā)的進(jìn)度，降低了產(chǎn)品研發(fā)的成本。

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