随着计算机运算能力越来越强,数值模拟方法被广泛地应用在了工程技术领域。目前常用的数值模拟方法有:有限单元法、有限差分法、边界元法和离散单元法。而有限单元法是实用性较强、应用性较广的一种数值模拟方法。本文为了研制一种新型压电式四维力传感器,利用有限元软件ANSYS对该传感器的静态、模态特性开展了仿真分析研究,并在此基础上通过优化设计方法进一步研究了该压电传感器的弹性变形环节-弹性膜片的设计对传感器性能的影响。本文的主要工作包括:①分析研究了多维力传感器的国内外发展概况,以及有限元分析法在多维力传感器设计中的应用现状。②选用石英作为压电敏感元,根据石英特定的切割形式和排列方式设计出了无耦合测量空间四方向上力和力矩的晶片组布局形式,完成了压电式四维力传感器的基本结构设计。③探讨了有限元分析法的基本概念,优化设计的基本理论,利用有限元分析法开展多维力传感器关键性能参数及其影响量的仿真分析与优化设计。④运用有限元分析软件ANSYS对压电式四维力传感器的设计模型进行了仿真分析,研究对传感器原型开发有着重要影响的静态、模态性能指标:灵敏度、维间干扰、转换效率、固有频率,验证了传感器设计的合理性和传感器自身的新颖性。⑤运用ANSYS软件的优化设计方法,将传感器的灵敏度和固有频率作为目标变量,将传感器中弹性膜片的弹性模量和尺寸作为设计变量,将石英晶片的极限强度作为状态变量,研究了弹性膜片的弹性模量和宽度对传感器性能的影响,为新传感器的设计开发提供了重要的依据。本文的研究工作为新型压电式四维力传感器的研制提供了重要的依据。