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六分量车轮力传感器结构多目标优化设计

贺辉 李响 马洪强

贺辉, 李响, 马洪强. 六分量车轮力传感器结构多目标优化设计[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(6): 915-921. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180263
引用本文: 贺辉, 李响, 马洪强. 六分量车轮力传感器结构多目标优化设计[J]. 机械科学与技术, 2019, 38(6): 915-921. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180263
Hui He, Xiang Li, Hongqiang Ma. Multi-objective Optimization and Design of Six-component Wheel Force Transducer Structure[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(6): 915-921. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180263
Citation: Hui He, Xiang Li, Hongqiang Ma. Multi-objective Optimization and Design of Six-component Wheel Force Transducer Structure[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(6): 915-921. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180263

六分量车轮力传感器结构多目标优化设计

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20180263
基金项目: 

国家自然科学基金项目 50875024

详细信息
    作者简介:

    贺辉(1993-), 硕士研究生, 研究方向为飞行器设计和结构优化, HH156396@163.com

    通讯作者:

    李响(1972-), 副教授, 博士生导师, lx_0207@sina.com

  • 中图分类号: TP212

Multi-objective Optimization and Design of Six-component Wheel Force Transducer Structure

  • 摘要: 以六分量车轮力传感器为研究对象,进行考虑一致灵敏度和低耦合度的传感器结构多目标优化设计。首先利用有限元分析确定应变计位置,并设计测力电桥。采用最优拉丁超立方实验设计方法分析传感器结构参数对灵敏度和耦合度的影响程度。建立起考虑一致灵敏度和低耦合度的多目标结构优化设计模型,并采用NSGA-Ⅱ遗传算法求解该优化设计问题。优化设计后的传感器最大耦合降到3.8%,条件数降低到2.39,在一致灵敏度和低耦合度两个相互矛盾的性能间取得了较好的平衡。
  • 图  1  传感器结构

    图  2  敏感测量元件布局

    图  3  敏感测量元件初始尺寸

    图  4  各载荷分量单独作用下弹性梁变形图

    图  5  应变计分布

    图  6  设计变量

    图  7  F1贡献率图

    图  8  F2贡献率图

    图  9  F1主效应图

    图  10  F2主效应图

    图  11  散点图

    图  12  Pareto前沿图

    表  1  初始尺寸下六分量车轮力传感器性能参数

    电桥 Fx=20 000 N Fy=30 000 N Fz=30 000 N Mx=6 000 N·m My=4 000 N·m Mz=4 000 N·m Con
    si1 ei1/% si2 ei2/% si3 ei3/% si4 ei4/% si5 ei5/% si6 ei6/%
    SFx 1.06 - 0.01 0.9 0.01 0.9 -0.01 0.9 0.00 0 0.17 16.0
    SFy 0.00 0 1.71 - -0.01 0.6 0.01 0.6 0.00 0 0.09 5.3
    SFz 0.00 0 0.01 0.6 1.71 - 0.00 0 -0.08 5.3 0.00 0
    SMx 0.00 0 0.00 0 0.00 0 1.41 - 0.00 0 0.00 0
    SMy 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.62 - 0.00 0
    SMz 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.62 -
    2.76
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    表  2  优化后的六分量车轮力传感器性能参数

    电桥 Fx=20 000 N Fy=30 000 N Fz=30 000 N Mx=6 000 N·m My=4 000 N·m Mz=4 000 N·m Con
    si1 ei1/% si2 ei2/% si3 ei3/% si4 ei4/% si5 ei5/% si6 ei6/%
    SFx 1.02 - 0.00 0 0.00 0 -0.01 1.0 0.00 0.9 0.01 1.0
    SFy 0.00 0 1.58 - 0.00 0 -0.02 1.3 0.00 0 0.06 3.8
    SFz 0.00 0 -0.01 0.6 1.58 - 0.01 0.6 -0.06 3.8 0.00 0
    SMx 0.00 0 0.00 0 0.00 0 1.29 - 0.00 0 0.00 0
    SMy 0.00 0 0.00 0 0.01 1.5 0.00 0 0.66 - 0.00 0
    SMz 0.00 0 -0.01 1.5 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.66 -
    2.39
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  • [1] 张为公.汽车车轮多维力测量关键技术[J].江苏大学学报:自然科学版, 2004, 25(1):25-28 http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jslgdxxb200401007

    Zhang W G. Study on multi-component wheel force measurement technology[J]. Journal of Jiangsu University:Natural Science Edition, 2004, 25(1):25-28(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jslgdxxb200401007
    [2] 崔传真, 何维.基于ansys车轮力传感器的优化设计[J].装备制造技术, 2016(4):47-50 doi: 10.3969/j.issn.1672-545X.2016.04.014

    Cui C Z, He W. Optimal design of wheel force sensor based on ANSYS[J]. Equipment Manufacturing Technology, 2016(4):47-50(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1672-545X.2016.04.014
    [3] 刘广孚, 张为公, 李忠国.多维车轮力传感器静态解耦的研究[J].仪表技术与传感器, 2006(7):15-18 doi: 10.3969/j.issn.1002-1841.2006.07.006

    Liu G F, Zhang W G, Li Z G. Research on static decoupling for multi-dimensional wheel force transducer[J]. Instrument Technique and Sensor, 2006(7):15-18(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1002-1841.2006.07.006
    [4] 陆永华, 赵东标, 吕霞.Stewart型六维力传感器弹性体结构的设计[J].机械科学与技术, 2005, 24(7):796-799 doi: 10.3321/j.issn:1003-8728.2005.07.011

    Lu Y H, Zhao D B, L? X. Design of the elastic body of Stewart six-axis force/torque sensor[J]. Mechanical Science and Technology, 2005, 24(7):796-799(in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1003-8728.2005.07.011
    [5] 周耀群, 张为公, 刘广孚, 等.基于新型车轮六分力传感器的汽车道路试验系统设计与研究[J].中国机械工程, 2007, 18(20):2510-2514 doi: 10.3321/j.issn:1004-132x.2007.20.028

    Zhou Y Q, Zhang W G, Liu G F, et al. Research and development on the vehicle roadway test system based on a new six-component wheel force transducer[J]. China Mechanical Engineering, 2007, 18(20):2510-2514(in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1004-132x.2007.20.028
    [6] Cho W, Yoon J, Yim S, et al. Estimation of tire forces for application to vehicle stability control[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2010, 59(2):638-649 doi: 10.1109/TVT.2009.2034268
    [7] Liu S A, Tzo H L. A novel six-component force sensor of good measurement isotropy and sensitivities[J]. Sensors and Actuators A:Physical, 2002, 100(2-3):223-230 doi: 10.1016/S0924-4247(02)00135-8
    [8] Lin G Y, Pang H, Zhang W G, et al. A self-decoupled three-axis force sensor for measuring the wheel force[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D:Journal of Automobile Engineering, 2014, 228(3):319-334 doi: 10.1177/0954407013508278
    [9] Kang M K, Lee S, Kim J H. Shape optimization of a mechanically decoupled six-axis force/torque sensor[J]. Sensors and Actuators A:Physical, 2014, 209:41-51 doi: 10.1016/j.sna.2014.01.001
    [10] 赖宇阳, 姜欣, 方立桥, 等.Isight参数优化理论与实例详解[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2012

    Lai Y H, Jiang X, Fang L Q, et al. Isight parameter optimization theory and example explanation[M]. Beijing:Beihang University Press, 2012(in Chinese)
    [11] 吴宝元, 申飞, 吴仲城.应变式多维力传感器结构优化设计方法研究[J].传感技术学报, 2010, 23(10):1412-1416 doi: 10.3969/j.issn.1004-1699.2010.10.010

    Wu B Y, Shen F, Wu Z C. Study on optimal design method for the structure of multi-axis force strain sensor[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2010, 23(10):1412-1416(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1004-1699.2010.10.010
    [12] Chao L P, Yin C Y. The six-component force sensor for measuring the loading of the feet in locomotion[J]. Materials & Design, 1999, 20(5):237-244 http://cn.bing.com/academic/profile?id=db63d49d9375e22335fa5a1292b1fbbb&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn
    [13] Chao L P, Chen K T. Shape optimal design and force sensitivity evaluation of six-axis force sensors[J]. Sensors and Actuators A:Physical, 1997, 63(2):105-112 doi: 10.1016/S0924-4247(97)01534-3
    [14] 严云.基于ANSYS参数化设计语言的结构优化设计[J].华东交通大学学报, 2004, 21(4):52-55 doi: 10.3969/j.issn.1005-0523.2004.04.014

    Yan Y. Design of structure optimization with APDL[J]. Journal of East China Jiaotong University, 2004, 21(4):52-55(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1005-0523.2004.04.014
    [15] 刘相新, 孟宪颐.ANSYS基础与应用教程[M].北京:科学出版社, 2006

    Liu X X, Meng X Y. ANSYS foundation and application course[M]. Beijing:Science Press, 2006(in Chinese)
    [16] 杨夏雯.多目标进化算法的改进及其应用研究[D].南京: 南京航空航天大学, 2012

    Yang X W. Improved multi-objective evolution algorithms and their applications[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2012(in Chinese)
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  • 收稿日期:  2018-08-23
  • 刊出日期:  2019-06-01

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