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基于数值分析方法的负荷传感器弹性体蠕变特性初步研究

摘要蠕变是负荷传感器的一项关键技术指标，研究负荷传感器蠕变特性对

提高传感器准确度具有重要意义。本文通过数值分析方法理论分析负荷传感器弹

性体蠕变特性，并通过对柱式传感器进行试验测试，验证数值分析的可靠性，结

果表明试验结果与数值分析结论具有很高的相似性，数值分析方法具有较高的参

考价值。

关键词弹性体；蠕变；数值分析；有限元

引言

蠕变是在应力影响下固体材料缓慢永久性的移动或者变形的趋势。在力值计

量中，蠕变对于高准确度的负荷传感器而言是一项重要的技术指标。根据电阻应

变式负荷传感器的结构原理可知，影响传感器的蠕变指标因素主要包括弹性体材

料的蠕变、粘贴胶以及敏感栅元件的蠕变等，因此分析各单一蠕变因素对研究传

感器的蠕变特性具有重要意义[1-2]。

40CrNiMoA材料是一种高强度合金结构钢，是负荷传感器弹性体最常用的

材料。这种合金钢屈服强度高，极限抗拉强度大；弹性模量温度系数小，线膨胀

系数小，且基本为常数，利于传感器温度补偿；材料的弹性滞后小；加工方便，

加工后的残余应力小。所以，40CrNiMoA被作为传感器弹性体的理想材料之一

[3]。

因此本次研究试验以40CrNiMoA材料为研究对象，通过ANSYS软件对该

弹性体材料结构进行静力分析和蠕变特性的数值分析。并与实际传感器蠕变的测

试结果进行初步类比，显示数值分析的可靠性。

1求解算法

在ANSYS中有隐式蠕变和显式蠕变两种求解算法，显式蠕变是应用Euler

向前法进行蠕变应变演化的计算，而隐式蠕变应用了Euler向后积分法求解蠕变

应变，隐式方法在数值上无条件稳定，这意味着不必像显式蠕变方法那样，使用

小的时间步，所以总体上会更快。且对于隐式蠕变加上率无关塑性，塑性修正和

蠕变修正同时进行，而不是分别进行。因此，隐式蠕变一般比显式蠕变更精确，

但它仍与时间步大小有关，必须使用足够小的时间步来精确捕捉路径相关行为。

基于上述原因，本试验采用较高效、精确的隐式蠕变算法。

3数值分析过程

3.1选定基本参数

本试验，选取HBM传感器RTN系列，量程为100t，弹性体的结构如图1

所示，整个弹性体材料采用40CrNiMoA合金钢。

3.2模型建立

40CrNiMoA合金钢，屈服强度为825MPa，抗拉强度为930Mpa，弹性模量

为2.1×105MPa，泊松比为0.3，密度为7.85×103kg/m3。因整个模型为轴对称的

规则实体，因此全部采用六面体SOLID185实体单元进行网格划分，网格划分采

用有限元前处理软件ANSA，划分完的网格如图3所示。

3.3模型的约束和加载

传感器弹性体蠕变加压试验的加载方式如图4所示，选取弹性体中间圆环区

域单元，接触面的尺寸100mm，将100t载荷转化成压力P加载到选取的单元面

上，即。在传感器弹性体底面施加全约束。其中Z方向为弹性体竖直向上方向。

3.4静力分结果

采用ANSYS软件对弹性体结构有限元模型进行求解。求解结果如下：从图

4中可以看出弹性体结构在满载加压后的最大应力值为860MPa，大于

40CrNiMoA合金钢的屈服强度，最大应力值发生在弹性体顶端中部位置。由于

弹性体顶端是球头结构，属于点接触，所以虽然最大应力值超过了屈服极限，但

是不会导致弹性体不会损坏。图5为柱式传感器弹性体的位移云图。从图中可以

看出，该弹性体在100t载荷的作用下，其最大位移为0.168mm，变形最大处发

生在弹性体上端位置。

3.5蠕变分析结果

在试验测试中，选取一台为100t的RTN传感器，测试其在额定載荷下蠕变

随时间的变化趋势，如图7所示。

4初步结论

根据ANSYS对弹性体结构的蠕变数值模型以及实测的传感器蠕变变化曲

线，可以发现，采用数值分析方法，通过ANSYS有限元分析软件对传感器弹性

体材料的蠕变特性具有较高的线性度，因为在理论分析阶段模型简化和边界的选

取具有一定的局限性，但在实际测试过程中，传感器的蠕变特性在这一阶段与理