壓電式四維力傳感器的有限元仿真分析和設(shè)計(jì).pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力越來越強(qiáng),數(shù)值模擬方法被廣泛地應(yīng)用在了工程技術(shù)領(lǐng)域。目前常用的數(shù)值模擬方法有:有限單元法、有限差分法、邊界元法和離散單元法。而有限單元法是實(shí)用性較強(qiáng)、應(yīng)用性較廣的一種數(shù)值模擬方法。本文為了研制一種新型壓電式四維力傳感器,利用有限元軟件ANSYS對(duì)該傳感器的靜態(tài)、模態(tài)特性開展了仿真分析研究,并在此基礎(chǔ)上通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步研究了該壓電傳感器的彈性變形環(huán)節(jié)-彈性膜片的設(shè)計(jì)對(duì)傳感器性能的影響。本文的主要工作包括:①分析研究

2、了多維力傳感器的國內(nèi)外發(fā)展概況,以及有限元分析法在多維力傳感器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。②選用石英作為壓電敏感元,根據(jù)石英特定的切割形式和排列方式設(shè)計(jì)出了無耦合測量空間四方向上力和力矩的晶片組布局形式,完成了壓電式四維力傳感器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。③探討了有限元分析法的基本概念,優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論,利用有限元分析法開展多維力傳感器關(guān)鍵性能參數(shù)及其影響量的仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。④運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)壓電式四維力傳感器的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了仿真分析,研

3、究對(duì)傳感器原型開發(fā)有著重要影響的靜態(tài)、模態(tài)性能指標(biāo):靈敏度、維間干擾、轉(zhuǎn)換效率、固有頻率,驗(yàn)證了傳感器設(shè)計(jì)的合理性和傳感器自身的新穎性。⑤運(yùn)用ANSYS軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,將傳感器的靈敏度和固有頻率作為目標(biāo)變量,將傳感器中彈性膜片的彈性模量和尺寸作為設(shè)計(jì)變量,將石英晶片的極限強(qiáng)度作為狀態(tài)變量,研究了彈性膜片的彈性模量和寬度對(duì)傳感器性能的影響,為新傳感器的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了重要的依據(jù)。本文的研究工作為新型壓電式四維力傳感器的研制提供了重要的依