基于Fluent的气浮测力传感器静特性研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Study on Static Characteristics of Flotation Force Sensor Based on FluentHuang Bin Zhang Wenwei Chen Shijing(School of Instrument Science and Ooto-electronic Engineering，Hefei University of Technology，Hefei l1ui 230009，China)Abstract：The flotation force sensor's static characteristic equation between carrying capacity and confined cavity pres-sure was established.A two·dimensional symmetric nozzle model was created using Gambit software，and the influence lawof nozzle orifice diameter，pressure cavity diameter and depth，nozzle diameter on the velocity distribution and pressure dis。

tribution in the pressure cavity was studied through the Fluent software simulation.The results show that.the larger the noz。

zle orifice diameter and pressure cavity depth，the more stable the gas film and the greater carrying capacity；the larger thepressure cavity diameter，the more disorder the gas film and the greater carrying capacity，but the lower bearing eficiency；the efect of the nozzle change is not significant to the gas film flow.The experiment verifies that the relationship curve be-tween carrying capacity and confined cavity pressure established by experiment and software simulation has the same trendand presents a kind of approximate linear relationship。

Keywords：flotation force measurement；sensor；static characteristics随着机器人的发展迈入到第三代智能化阶段，医用、清洁、导盲等各种智能机器人进入了人们的生活空间 。随着机器人工作诚的变化和智能化程度的提高，出现了各种各样的六维力传感器来适应机器人的工作需求，如仿人机器人行走时需要获取足力的信息 -，触觉传感器标定中需要测定作用在其表面上的任意力的大型方向 等。

基金项目：国家自然科学基金资助项目 (61072032)；安徽省自然科学基金资助项目 (1208085ME76)。

收稿 日期 ：2012-12-28作者简介：黄斌 (1963-)，男，副教授，硕士研究生导师，研究方 向为精密仪器 及机械 .E-mail：zhangwenwei2006062###63.corn。

对于六维力传感器的研究，美国 Draper实验室研制了Waston竖梁式的腕力传感器 ；加拿大 A Ba。

zergui设计了-种压电式六维力传感器 ；瑞士 FelixBeyeler等研制了-种基于MEMS的电容式六维力传感器 ；Ranganath等设计了-种基于近奇异构型Stewart平台的六维力传感器 ；美国Lord公司生产了十字梁结构的Scheinman腕力传感器 。国内，中科院合肥智能研究所、东南大学和哈尔滨工业大学等三单位联合研制成功 了 SAFMS型六维腕力传感器 ；哈尔滨工程大学孟庆鑫等设计了-种基于圆筒式弹性体结构的水下六维力传感器 ；哈尔滨工业大学研制了-种基于8竖梁弹性体结构的六维力传2013年第6期 黄 斌等：基于Fluent的气浮测力传感器静特性研究 7感器 。但是对上述国内外现有的这些六维力传感器深入分析会发现它们基本都存在维间耦合，精度-般不超过 1%FSH ，而且多为腕力传感器，对于仿人机器人站立或行走时足部与地面接触六维力信息测量，触觉多维力传感器的标定等工作诚无法使用。为了消除维间耦合，提高六维力传感器测量精度，以解决仿人机器人足底六维力信息测量和触觉传感器的标定等难题，合肥工业大学黄斌提出了-种气浮式测力思想，并研制了气浮式测力平台，从原理上消除了维间耦合 。本文作者将在此基础上进-步阐述气浮式六维力测力平台的工作原理，并使用Fluent软件仿真研究喷嘴各结构参数对气膜层速度分布和压力分布的影响规律。

1 气浮测力传感器工作原理及静特性方程1.1 工作原理气浮测力传感器的基本工作单元是喷嘴和稿组成的喷嘴稿机构，其二维模型如图1所示。图 1中上面为稿，下面为喷嘴，其中喷嘴承压腔半径为r0，喷嘴半径为r ，气膜层厚度为6，供气压力为P。，承压腔内气体压力为P ，大气压力为P ，为气膜层内任-点的速度。以平行喷嘴半径方向为 轴，垂直喷嘴半径方向为Y轴建立直角坐标系，并设定Y轴方向上气膜层厚度为 6时的承载力为 ，则根据诺维斯托克斯方程可以建立承载力 与承压腔内压力P 之间的函数关系。气浮测力传感器工作时通过测量承压腔内的压力即可计算出喷嘴的承载力，此即气浮测力传感器的工作原理。

图1 气浮测力传感器二维模型Fig 1 Two-dimensional model of flotation force sensor1.2 静特性方程应用诺维斯托克斯方程推导承载力 与承压腔内压力p 之间静特性方程时，因为喷嘴与稿是用高导热的金属材料制作，所以喷嘴与稿之间的气膜层工作时产生的热量绝大部分可由金属传导出去或随气体排出，因此可以假设整个气膜工作区为忽略惯性力的等温流动；此外还需假设气体与稿和喷嘴端面之间的接触面上不存在滑动。于是气膜层内的压力分布函数可以表示为印 a。u 斋u- (6 (2)- 了dr (4)pa-p - ln r LoITp/I1 (5).，- ITp/n( ) (6) 、r， aln(r)㈩ aW耵r02pdf 2rpdr-丌r p-(pd 可"r(r21-r20) (8)8 润滑与密封 第 38卷嘴的承载力。

2 仿真分析由公式 (8)可以知道承压腔内的压力分布对气浮测力传感器的承载力有直接的影响，而喷嘴的节流孑L直径、承压腔直径与深度、喷嘴直径等结构参数又对承压腔内的压力分布有着重要影响，为使气浮测力传感器表现出良好的工作特性，需要研究喷嘴各结构参数对承压腔内压力分布乃至整个气膜层压力分布的影响规律，进而为气浮测力喷嘴的结构设计提供理论支持。

基于有限体积法的Fluent软件作为-个成熟的商业计 算流体 力学 (Computational Fluid Dynamics，CFD)软件，在气体静压润滑领域已得到了较为广泛应用。它可以准确地模拟出流场中流体流动的速度分布、压力分布等的时变特性。本文作者采用 Fluent软件来探究喷嘴各结构参数对气膜层内速度分布和压力分布的影响规律。

2.1 模型简化及边界条件从图1所示的气浮测力传感器的二维模型示意图可以看出喷嘴稿机构具有轴对称性，所以采用Flu-ent前置软件 Gambit建模时只取图 1的1/2，以减少计算量，提高仿真效率。网格划分采用结构化网格。

计算采用k-s双方程湍流模型，介质为理想气体，环境压力为0.1 MPa，环境温度为 300 K，压力入口，压力出口，壁面采用固壁无滑移，求解器采用双精度分离隐式求解器，Space选择轴对称，压强速度耦合方程选择Simplec算法。

2.2 参数选定根据项目设计气浮测力传感器的量程要求选择喷嘴直径分别为20，30，40 mm；由已知的研究成果知道带气腔的喷嘴节流方式比固有孔节流方式承载能力强，而又由于有气腔的存在就会产生常见的 气锤”自激震荡现象，为了消除或减弱 气锤”现象，必须保证气腔容积与总气膜容积的比值小于15%，因此综合两因素选择承压腔直径为4，6，8 mm，承压腔深度为0，0.1，0.15 mm，根据目前的工艺技术节流孔直径选择为0.2，0.4，0.6 mm。

2.3 仿真结果及分析仿真采用控制变量法，供气压力统-取 0.3MPa，然后按照本文2.2节中拟定的参数分别逐次改变节流孔直径、承压腔直径、承压腔深度以及喷嘴直径的大续行仿真。

2.3.1 节流孔直径的影响当供气压力和其他结构参数-定，节流孔直径变化时喷嘴稿机构气膜层的速度和压力分布曲线如图2所示∩以看出，随着节流孔直径的增大 ，承压腔内气膜层的速度值大幅减小，承压腔与喷嘴外沿之间的速度值有小幅增大，但是总体上整个气膜层的速度分布趋于平稳；而对于气膜层的压力分布则随着节流孔直径的增大在气膜层入口处的压力损失逐渐减小，突降后的压力回升幅度逐渐增大，并且在整个承压腔内形成-个等压的气压膜，这意味着随着节流孔直径的增大，喷嘴稿机构的工作稳定性越好，承载能力也越强，但是根据仿真得到的平均气体质量流量曲线可以观察到随着节流孔直径的增大平均气体质量流量也随之增加 ，所以在设计喷嘴节流孔直径时不能忽视直径增大对供气成本增加的影响，限于篇幅平均气体质量流量曲线未在此给出。

畸 昌、- 剥径向坐标r/mm(b)压力分布图2 不同节流孔直径下的速度和压力分布曲线Fig 2 Curves of speed(a)and pressure(b)underdiferent orifice diameters2.3.2 承压腔直径的影响当供气压力和其他结构参数-定，承压腔直径变化时喷嘴稿机构气膜层的速度和压力分布曲线如图2013年第6期 黄 斌等：基于Fluent的气浮测力传感器静特性研究 93所示∩以看出，随着承压腔直径的增大，节流孔出口处的速度值迅速增大，承压腔与喷嘴外沿之间的速度值也有小幅增加，因此整个气膜层特别是气膜层人口处的气体流动状态随着承压腔直径的增大会趋于紊乱；而气膜层入口处的压力损失也随着承压腔直径的增大而变大，压力回升幅度则变小，这意味着虽然承压腔直径的增大可以增加有效承载面积，使承载力增大，但是较大的压力损失会使承载效率降低，而且气膜层稳定性也会较明显地减弱。

∞皇、- 越瑙(a)速度分布径向坐标rlmm(b)压力分布图3 不同承压腔直径下的速度和压力分布曲线Fig 3 Curves of speed(a)and pressure(b)under diferentpressure chamber diameters2.3.3 承压腔深度的影响图4表示的是同-供气压力下其他参数-定，承压腔深度变化时喷嘴稿机构气膜层的速度和压力分布曲线∩以观察出，随着承压腔深度的增加节流孔出口处的速度值大幅减小，而承压腔与喷嘴外沿之间的速度值则无明显变化，即表明随着承压腔深度的增加对气膜层气体流动状态的稳定效果越好；从图4(b)首先可以明显地观察到带承压腔的喷嘴节流方式比固有孔节流方式的有效承载面积大，也即带气腔的喷嘴节流方式比固有孔节流方式承载能力明显较强。此外随着承压腔深度的增加气膜层人口处的压力损失也逐渐减校综合速度分布曲线和压力分布曲线可以知道，随着承压腔深度的增加喷嘴稿机构的工作稳定性越好，承载能力也越强，但是考虑到承压腔越深承压腔容积就会越大，为了保证承压腔容积与总气膜容积的比值小于15%，承压腔深度适宜选择不大于节流孔直径的1/4，以保证气膜层气体流动的稳定性。

200l60120、 遗 80400径向坐'/mm(a)速度分布径向坐标r，mm(b)压力分布图4 不同承压腔深度下的速度和压力分布曲线Fig 4 Curves of speed(a)and pressure(b)under diferentpressure chamber depth2.3.4 喷嘴直径的影响当供气压力和其他结构参数-定，喷嘴直径变化时喷嘴稿机构气膜层的速度和压力分布曲线如图5所示∩以观察到，喷嘴直径的改变对承压腔内气膜层的速度值影响并不显著，承压腔与喷嘴外沿之间的速度值变化也不大；而随着喷嘴直径的增大，气膜层人口处的压力损失值和压力回升幅度越接近，即随着喷嘴直径的增大喷嘴的承载效率越接近而气膜层的流动状态变化不大，所以喷嘴直径的尺寸只需要根据气浮测力传感器的量程需要来选择即可。

10 润滑与密封 第38卷9O∞60昌蕾餐3000 5 10 15 20径向坐标r，mm(a)速度分布图5 不同喷嘴直径下的速度和压力分布曲线Fig 5 Curves of speed(a)and pressure(b)under diferent nozzle diameters3 实验与仿真结果对比根据上文Fluent仿真得到的喷嘴各结构参数尺寸对喷嘴稿机构气膜层速度和压力分布的影响规律，选定节流孔直径为0.4 mm，承压腔直径为6 mm、深度为0.15 mm，喷嘴直径为20 mm制作-喷嘴，并设计如图6所示的实验装置进行实验，以建立承载力图6 静特性实验装置Fig 6 Static characteristic experiment device而实验值比仿真值小是因为以下几方面的原因：(1)软件仿真忽略了扩散效应引起的压力损失。由于承压腔内气体压力与节流孔供气压力存在压差，所以在节流孔出口处存在扩散效应，这会导致喷嘴的承载能力降低。 (2)实验时由于稿左右震动导致的气膜层压力分布变化从而引起的气流周向运动或者绕流，也会导致喷嘴承载能力的降低。 (3)节流孔和测压孔管道内的沿程压力损失引起的承载能力的降低。(4)由于节流孔出13处、测压孔人口处和承压腔出口处气流通道面积的突然变化产生的压力局部损失，从而导致的承载能力的降低。

与承压腔内压力p 之间的关系，然后与Fluent仿真结果进行对比分析，得到如图7所示的承载力与承压腔压力的关系曲线∩以观察到实验与仿真得到的承载力与承压腔压力之间的关系曲线趋势-致，且都呈现- 种近似的线性关系。符合公式 (8)建立的静特性方程所体现的规律，说明仿真结果比较可信。

- 仿真1.5 2.0 2.5 3.O 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5承压腔压力p (x 10。Pa)图7 承载力与承压腔压力关系曲线Fig 7 Curves of carrying capacity and confined cavity pressure4 结论(1)建立了承载力 与承压腔压力P 之间的静特性方程，该方程表明喷嘴承载力 与承压腔压力P 之间呈线性关系。

(2)利用 Fluent软件仿真了喷嘴节流孔直径、承压腔直径和深度、喷嘴直径对气膜层速度和压力分布的影响，仿真结果表明喷嘴节流孔直径和承压腔深度越大气膜层流动状态越稳定，喷嘴的承载力越大；承压腔直径越大，气膜层流动状态趋于紊乱，承载能力增大但承载效率降低；喷嘴直径的改变对气膜层流动状态的影响不显著。

(3)通过实验验证了 Fluent仿真建立的承载力3 2 l -- oI×)、黄 幽 鹫量蕾 赫幅2013年第6期 黄 斌等：基于Fluent的气浮测力传感器静特性研究 11与承压腔压力之间的关系曲线趋势-致，说明仿真结果比较可信。下-步的工作将建立合适的三维模型，并研究在紊流情况下气膜层的速度和压力分布的变化机制。