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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论分析的蠕变曲线具有很高的相似性，表明了弹性体蠕变数值分析模拟具有比较高的可靠性，为进一步研究弹性体材料的蠕变特性提供比较有价值的分析方向。
参考文献
[1] Wilshire B，Scharning P J .A new methodology for analysis of creep and creep fracture da ta for 9-12 percent chromium steels[J].International Materials Reviews，2008，53，（2）：91-104.
[2] 穆霞英.蠕变力学[M].西安：西安交通大学出版社，1990：1-10.
[3] 柯受全，卢锡年，李桃萼.关于某些蠕变理论的实验验证[J].力学学报，1990，22（4）：500-505.
作者简介
赖征创，男，（1986-），学历：硕士，研究方向：机械电子工程。
