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三维动态切削测力仪结构参数优化

作　者: 王娟
导　师: 徐宏海
学　校: 北方工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 测力仪 有限元分析 优化设计 模态分析 拓扑优化
分类号: TH823
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


测力仪是实现多维载荷动态监测的关键仪器之一。如何使高动态测量精度与高刚度要求达到最优化是电阻应变式测力仪的研究重点。目前,国内外对测力仪结构参数优化的设计介绍寥寥无几,因此,对多维动态切削测力仪结构参数优化的研究是非常必要的。弹性体是传感器的核心部件,其设计和制造将直接影响传感器的各项性能和可靠性。利用CAD/CAE技术,可以对传感器弹性体的结构进行精确的参数化设计,对应力场的分布状况和变形状态、布片位置的合理性以及结构参数对弹性体性能的影响等情况作较全面的了解,从而为传感器的优化设计提供可靠、有效的手段。本文在对车削加工过程深入理解的基础上,在对三维动态车削测力仪进行结构参数优化之前先对其进行了结构形式上的改进。针对原有的刀杆式三维车削测力仪存在的使用不便、拉压方向信号偏弱等问题,对弹性元件的结构进行改进,并对改进后的测力仪弹性元件进行了结构静力学分析和模态分析。通过对静态性能指标进行的研究,建立刚度和灵敏度综合优化目标函数,并采用有限元分析的手段对目标函数进行优化,实现了灵敏度和刚度的综合优化。最后,对测力仪的弹性元件进行了拓扑优化,增大了测力仪的固有频率。本文建立了应变式测力仪静态指标、动态指标与其弹性元件结构参数之间的关系,为应变式测力仪的设计提供了科学依据。采用理论研究与仿真分析相结合的方式,对参数化模型进行理论验证,保证了模型的合理性。对应变测力仪的弹性元件采用了两种方法进行结构优化,得到了非常精确的优化结果,为刚度与灵敏度这一对矛盾问题提供一条解决途径。对弹性元件进行拓扑优化,得到了很好的分析结果,为增大固有频率、提高材料的使用率提供了很好的途径。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
1 引言  10-13
  1.1 测力仪发展概况与电阻应变式测力仪的发展机遇  10-11
  1.2 计算机辅助设计的概况  11-12
  1.3 课题的提出及意义  12-13
2 应变测力仪弹性元件的理论研究  13-19
  2.1 传感器的定义及组成  13
  2.2 应变式力传感器工作原理  13-17
  2.3 测力传感器的一般特性  17
  2.4 电阻应变式测力仪的性能指标  17-19
3 三维车削测力仪的结构改进及力学分析  19-24
  3.1 三维车削测力仪改进前后结构形式对比  19
  3.2 薄壁圆筒弹性元件结构形式的力学分析  19-24
    3.2.1 薄壁圆筒受拉压载荷作用  20-21
    3.2.2 薄壁圆筒受剪切载荷作用  21-24
4 结构参数对薄壁圆筒式测力仪弹性元件性能的影响  24-28
  4.1 弹性元件的结构参数对灵敏度的影响  24
  4.2 弹性元件的结构参数对刚度的影响  24-25
  4.3 弹性元件结构参数初值的选择  25-28
5 弹性元件的有限元分析  28-44
  5.1 有限元分析软件简介  28-30
    5.1.1 ANSYS有限元分析软件的特点  28
    5.1.2 ANSYS实体建模  28-29
    5.1.3 ANSYS网格划分  29
    5.1.4 后处理模块  29
    5.1.5 APDL参数化编程语言的简介  29-30
  5.2 弹性元件有限元模型的建立及静力学分析  30-37
    5.2.1 弹性元件几何模型  30-31
    5.2.2 单元设置与划分  31-32
    5.2.3 加载及求解  32-33
    5.2.4 结果及后处理  33-37
  5.3 有限元模型的检验  37-44
    5.3.1 有限元模型静态性能的检验  37-40
    5.3.2 有限元模型动态性能的检验  40-44
6 薄壁圆筒式测力仪结构参数的优化设计  44-56
  6.1 ANSYS优化设计概述  44-47
    6.1.1 优化设计程序  44-46
    6.1.2 优化设计步骤  46-47
  6.2 弹性元件优化过程的参数设定  47-49
    6.2.1 数学模型的建立  47-48
    6.2.2 优化参数的设定  48-49
  6.3 计算结果及分析  49-56
    6.3.1 第一次优化计算的结果及分析  49-52
    6.3.2 第二次优化计算的结果及分析  52-56
7 基于模态分析的拓扑优化  56-60
  7.1 ANSYS拓扑优化设计概述  56-57
  7.2 拓扑优化过程  57-58
  7.3 拓扑优化结果  58-60
结论  60-61
参考文献  61-64
附录  64-72
在学研究成果  72-73
致谢  73

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 力学量测量仪表 > 力的测量仪表
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