基于數(shù)值分析方法的負(fù)荷傳感器彈性體蠕變特性初步研究

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材料緩慢永久性的移動(dòng)或者變形的趨勢(shì)。在力值計(jì)量中，蠕變對(duì)于高切實(shí)度的負(fù)荷傳感器而言是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)電阻應(yīng)變式負(fù)荷傳感器的布局原理可知，影響傳感器的蠕變指標(biāo)因素主要包括彈性體材料的蠕變、粘貼膠以及敏感柵元件的蠕變等，因此分析各單一蠕變因素對(duì)研究傳感器的蠕變特性具有重要意義[1-2]。

40CrNiMoA材料是一種高強(qiáng)度合金布局鋼，是負(fù)荷傳感器彈性體最常用的材料。這種合金鋼屈服強(qiáng)度高，極限抗拉強(qiáng)度大；彈性模量溫度系數(shù)小，線膨脹系數(shù)小，且根本為常數(shù)，利于傳感器溫度補(bǔ)償；材料的彈性滯后??；加工便當(dāng)，加工后的剩余應(yīng)力小。所以，40CrNiMoA被作為傳感器彈性體的夢(mèng)想材料之一[3]。

因此本次研究試驗(yàn)以40CrNiMoA材料為研究對(duì)象，通過ANSYS軟件對(duì)該彈性體材料布局舉行靜力分析和蠕變特性的數(shù)值分析。并與實(shí)際傳感器蠕變的測(cè)試結(jié)果舉行初步類比，顯示數(shù)值分析的穩(wěn)當(dāng)性。

1求解算法

在ANSYS中有隱式蠕變和顯式蠕變兩種求解算法，顯式蠕變是應(yīng)用Euler向前法舉行蠕變應(yīng)變演化的計(jì)算，而隱式蠕變應(yīng)用了Euler向后積分法求解蠕變應(yīng)變，隱式方法在數(shù)值上無條件穩(wěn)定，這意味著不必像顯式蠕變方法那樣，使用小的時(shí)間步，所以總體上會(huì)更快。且對(duì)于隱式蠕變加上率無關(guān)塑性，塑性修正和蠕變修正同時(shí)舉行，而不是分別舉行。因此，隱式蠕變一般比顯式蠕變更精確，但它仍與時(shí)間步大小有關(guān)，務(wù)必使用足夠小的時(shí)間步來精確抓獲路徑相關(guān)行為。基于上述理由，本試驗(yàn)采用較高效、精確的隱式蠕變算法。

3數(shù)值分析過程

3.1選定根本參數(shù)

本試驗(yàn)，選取HBM傳感器RTN系列，量程為100t，彈性體的布局如圖1所示，整個(gè)彈性體材料采用40CrNiMoA合金鋼。

3.2模型建立

40CrNiMoA合金鋼，屈服強(qiáng)度為825MPa，抗拉強(qiáng)度為930Mpa，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85×103kg/m3。因整個(gè)模型為軸對(duì)稱的規(guī)矩實(shí)體，因此全部采用六面體SOLID185實(shí)體單元舉行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用有限元前處理軟件ANSA，劃分完的網(wǎng)格如圖3所示。

3.3模型的約束和加載

傳感器彈性體蠕變加壓試驗(yàn)的加載方式如圖4所示，選取彈性體中間圓環(huán)區(qū)域單元，接觸面的尺寸100mm，將100t載荷轉(zhuǎn)化成壓力P加載到選取的單元面上，即。在傳感器彈性體底面施加全約束。其中Z方向?yàn)閺椥泽w豎直向上方向。

3.4靜力分結(jié)果

采用ANSYS軟件對(duì)彈性體布局有限元模型舉行求解。求解結(jié)果如下：從圖4中可以看出彈性體布局在滿載加壓后的最大應(yīng)力值為860MPa，大于40CrNiMoA合金鋼的屈服強(qiáng)度，最大應(yīng)力值發(fā)生在彈性體頂端中部位置。由于彈性體頂端是球頭布局，屬于點(diǎn)接觸，所以雖然最大應(yīng)力值超過了屈服極限，但是不會(huì)導(dǎo)致彈性體不會(huì)損壞。圖5為柱式傳感器彈性體的位移云圖。從圖中可以看出，該彈性體在100t載荷的作用下，其最大位移為0.168mm，變形最大處發(fā)生在彈性體上端位置。

3.5蠕變分析結(jié)果

在試驗(yàn)測(cè)試中，選取一臺(tái)為100t的RTN傳感器，測(cè)試其在額定載荷下蠕變隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，如圖7所示。

4初步結(jié)論

根據(jù)ANSYS對(duì)彈性體布局的蠕變數(shù)值模型以及實(shí)測(cè)的傳感器蠕變變化曲線，可以察覺，采用數(shù)值分析方法，通過ANSYS有限元分析軟件對(duì)傳感器彈性體材料的蠕變特性具有較高的線性度，由于在理論分析階段模型簡(jiǎn)化和邊界的選取具有確定的局限性，但在實(shí)際測(cè)試過程中，傳感器的蠕變特性在這