压电式四维力传感器的有限元仿真分析和设计

论文摘要

随着计算机运算能力越来越强,数值模拟方法被广泛地应用在了工程技术领域。目前常用的数值模拟方法有:有限单元法、有限差分法、边界元法和离散单元法。而有限单元法是实用性较强、应用性较广的一种数值模拟方法。本文为了研制一种新型压电式四维力传感器,利用有限元软件ANSYS对该传感器的静态、模态特性开展了仿真分析研究,并在此基础上通过优化设计方法进一步研究了该压电传感器的弹性变形环节-弹性膜片的设计对传感器性能的影响。本文的主要工作包括:①分析研究了多维力传感器的国内外发展概况,以及有限元分析法在多维力传感器设计中的应用现状。②选用石英作为压电敏感元,根据石英特定的切割形式和排列方式设计出了无耦合测量空间四方向上力和力矩的晶片组布局形式,完成了压电式四维力传感器的基本结构设计。③探讨了有限元分析法的基本概念,优化设计的基本理论,利用有限元分析法开展多维力传感器关键性能参数及其影响量的仿真分析与优化设计。④运用有限元分析软件ANSYS对压电式四维力传感器的设计模型进行了仿真分析,研究对传感器原型开发有着重要影响的静态、模态性能指标:灵敏度、维间干扰、转换效率、固有频率,验证了传感器设计的合理性和传感器自身的新颖性。⑤运用ANSYS软件的优化设计方法,将传感器的灵敏度和固有频率作为目标变量,将传感器中弹性膜片的弹性模量和尺寸作为设计变量,将石英晶片的极限强度作为状态变量,研究了弹性膜片的弹性模量和宽度对传感器性能的影响,为新传感器的设计开发提供了重要的依据。本文的研究工作为新型压电式四维力传感器的研制提供了重要的依据。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 多维力传感器的分类
• 1.1.1 按测力原理分类
• 1.1.2 按输出类型分类
• 1.2 多维力传感器国内外发展状况
• 1.3 有限元法在多维力传感器设计中的应用
• 1.4 本文研究的意义及主要内容
• 1.5 本章小结
• 2 压电式四维力传感器的结构设计
• 2.1 压电理论
• 2.1.1 压电效应
• 2.1.2 压电材料
• 2.2 石英晶体
• 2.2.1 石英晶体的压电效应
• 2.2.2 压电系数与压电系数矩阵的物理意义
• 2.2.3 石英晶体的几何切型
• 2.3 压电式四维力传感器的设计理论
• X、F_Y、F_Z、M_X）的晶片组布局'>2.3.1 用于测量空间四维力（F_X、F_Y、F_Z、M_X）的晶片组布局
• 2.3.2 晶体盒的结构设计
• 2.3.3 压电式四维力传感器的结构
• 2.4 本章小结
• 3 有限元分析法及优化设计理论
• 3.1 有限元法
• 3.1.1 有限元法的基本思想
• 3.1.2 有限元法的基本要素
• 3.1.3 有限元法分析的基本步骤
• 3.1.4 现代有限元分析软件及其特点
• 3.1.5 有限元软件ANSYS 的简介
• 3.2 结构优化设计
• 3.2.1 结构优化设计的理论
• 3.2.2 结构优化的层次与分类
• 3.2.3 结构优化的数学模型
• 3.2.4 寻优算法
• 3.2.5 有限元软件ANSYS 中的几种优化方法
• 3.3 本章小结
• 4 压电式四维力传感器的有限元仿真分析
• 4.1 静力分析
• 4.1.1 静力分析的目的
• 4.1.2 静力分析的过程
• 4.1.3 静力分析的结论
• 4.2 模态分析
• 4.2.1 模态分析的方法
• 4.2.2 模态分析的过程
• 4.2.3 模态分析的结果
• 4.3 本章小结
• 5 压电式四维力传感器的优化设计
• 5.1 优化设计的目的
• 5.2 优化设计的基本过程
• 5.3 以传感器的灵敏度为目标函数
• 5.3.1 以弹性膜片的宽度为设计变量
• 5.3.2 以弹性膜片的弹性模量为设计变量
• 5.4 以传感器的固有频率为目标函数
• 5.4.1 以弹性膜片的宽度为设计变量
• 5.4.2 以弹性膜片的弹性模量为设计变量
• 5.5 优化设计的结论
• 5.6 本章小结
• 6 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录