应变式力传感器的内锥形弹性体及其优化方法

摘要

本发明提供一种应变式力传感器的内锥形弹性体，包括圆柱形基体，基体上部设置有锥形凹部，锥形凹部的底部设置有中心孔；锥形凹部的锥面上设置有应变片。该弹性体的优化方法为：先估计出一个初始尺寸；再采用有限元方法，计算弹性体在螺栓轴向力作用下的应力；然后调整模型的锥角直至内锥面上的应力分布均匀；在不改变锥角的条件下，调整基体的厚度，使锥面上的应力水平达到要求；最后将有限元计算获得的模型尺寸圆整，作为弹性体最终尺寸。本发明为简单的回转体，加工和热处理工艺性都较好，应变片粘贴部位应力分布均匀，对应变片粘接位置的准确性没有要求。轴向尺寸较轮辐式小，更适合螺栓轴向力的测量。

主权项

一种应变式力传感器内锥形弹性体的优化方法，该优化方法所基于的应变式力传感器内锥形弹性体，包括圆柱形基体（1），基体（1）上部设置有锥形凹部（2），锥形凹部（2）的底部设置有中心孔（3）；锥形凹部（2）的锥面上设置有应变片（4）；锥形凹部（2）的中轴线与中心孔（3）的中轴线位于同一条直线上；其特征在于，所述内锥形弹性体的优化方法，具体操作步骤如下：第一步，根据应变式力传感器内锥形弹性体的结构，估计出弹性体的初始尺寸；第二步，采用有限元方法，根据弹性体的初始尺寸建立有限元模型，计算弹性体在螺栓轴向力作用下的应力；第三步，根据第二步得到的锥形凹部（2）锥面上的应力分布情况，调整模型的锥角后再次计算，直至内锥面上的应力分布均匀；具体调整过程为：根据下面的迭代公式确定锥形凹部锥角的调整量： Δ γ i + 1 = ( σ max , i σ min , i - 1 ) Δ γ i Δγi+1和Δγi分别是第i+1次和第i次锥角迭代计算的调整量，σmax,i和σmin,i分别是第i次计算获得的锥面上的最高应力和最低应力；当最高应力和最低应力满足下面条件时，即可认为锥面上应力分布均匀： σ max , i - σ min , i σ max , i + σ min , i < ξ 2 ξ反映锥面上应力的波动系数，ξ＝5%；第四步，根据锥面上的应力水平，在不改变锥角的条件下，调整基体（1）的厚度，使锥面上的应力水平达到要求；具体调整过程为：根据下面的迭代公式确定基体（1）厚度的调整量： Δ h i + 1 = ( σ i σ 0 - 1 ) Δ h i Δhi+1和Δhi分别是第i+1次和第i次厚度调整量，σ0是锥面上的许用应力，σi是第i次调整厚度后锥面上的应力；当锥面上的应力满足下式时，即认为基体1的厚度达到最优值： σ 0 - σ i σ 0 = ϵ > 0 ε反映锥面应力的安全裕度，取25%～50%；第五步，将有限元计算获得的模型尺寸圆整，作为弹性体最终的设计尺寸。