三维测力传感器布局设计

【摘要】目前测力传感器主要以应变式测力传感器为主，其设计的一个关键问题是如何确定弹性体的应变分布。因此，应变式测力传感器的设计，一般以结构受力时应变响应极大为目标，对多维测力传感器还需以各向干扰极小为目标。本论文主要研究运用拓扑优化的方法，致力于设计圆筒式三维测力传感器的布局，使其具有较大的应变响应，极小的各向干扰。具体研究内容和成果如下：1）多目标结构拓扑优化。结构静力拓扑优化常集中于以刚度最大为目标，然而在实际工程设计中通常存在多个目标，以位移、应变和应力极值等作为衡量结构性能表现的指示。本文研究为获得一个合理的应变式测力传感器布局，结合应力约束和控制数值不稳定现象的方法建立一个多目标优化模型。2）三维测力传感器的优化。各向干扰是多维力传感器性能提高和实际应用的关键制约因素，研制各向无干扰、转换矩阵条件数小的多维测力传感器是传感器设计的重要追求。本文研究三个方向受力时在特殊区域响应的应变量最大化为目标，根据多目标函数处理方法、约束条件，建立拓扑优化数学模型。引入滤波方法，拓扑优化圆筒结构。简化拓扑优化构型，选择尺寸参数作尺寸优化，获得可加工制造的结构。3）三维测力传感器的设计、测试和标定。对优化得到的结构进行有限元分析，分析各目标区域在各向负载下的应变表现，以最大输出为目标，确定应变输出计算公式。求解各向负载下的各向应变输出，分析各向单独负载情况下的横向敏度。根据受单向负载时的应变分布和应变输出计算公式，布置应变片，设计测量电路。对三维传感器结构进行加工、制造，通过测试三维传感器各项性能，对该方法进行了验证。本文对三维测力传感器的设计方法为其它多维力传感器的研制提供了借鉴。
【作者】李湘勤；
【导师】刘震宇；
【作者基本信息】中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)，机械制造及其自动化，2013，硕士
【关键词】圆筒；拓扑优化；力传感器；应变片；应力/应变；

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