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傳統(tǒng)的汽車衡臺面結(jié)構(gòu)和剛度分析方法是把汽車衡秤臺簡化成一簡支梁，因其模型過于簡化，存在計(jì)算結(jié)果可靠性差、無法進(jìn)行局部應(yīng)力及應(yīng)變分析等缺點(diǎn)。本文利用ANSYS有限元分析軟件，對SCS系列汽車衡秤臺進(jìn)行分析。在實(shí)體建模的基礎(chǔ)上對剛度進(jìn)行校核，重點(diǎn)對汽車衡超載時(shí)進(jìn)行極限承載校核，得出超載時(shí)強(qiáng)度指標(biāo)也應(yīng)成為主要校核指標(biāo)的結(jié)論，并給出合理的改進(jìn)建議，為汽車衡的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)提供有價(jià)值的參考。
關(guān)鍵詞：ANSYS；有限元分析；汽車衡；剛度；強(qiáng)度

引言

近年來，作為大型稱重計(jì)量設(shè)備的汽車衡越來越廣泛地應(yīng)用于工礦企業(yè)、交通運(yùn)輸、港口、倉庫等各個部門。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，運(yùn)輸車輛類型不斷增多，裝載能力不斷提高，這就對汽車衡的承載能力提出了更高的要求[1]。

傳統(tǒng)的汽車衡臺面結(jié)構(gòu)和剛度分析方法是把汽車衡簡化成一簡支梁，這種簡化方法計(jì)算簡單，在汽車衡行業(yè)的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算中曾廣泛采用，但這種建模方法也正是因?yàn)槟Ｐ瓦^于簡化而導(dǎo)致終結(jié)果的不可靠。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展和廣泛應(yīng)用，有限元分析方法逐漸成為結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中強(qiáng)有力的工具。

的ANSYS軟件是目前廣泛應(yīng)用的大型的以有限元分析為基礎(chǔ)的CAE軟件。利用ANSYS，建立SCS系列汽車衡秤臺中節(jié)的三維實(shí)體模型，以期在更加符合實(shí)際條件的模型基礎(chǔ)上對秤臺的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行校核，并提出合理的改進(jìn)建議。

1 秤臺結(jié)構(gòu)尺寸、校核指標(biāo)及受載狀況

1.1 SCS-50系列汽車衡秤臺結(jié)構(gòu)分析

為制造加工、運(yùn)輸及安裝方便，SCS-50系列汽車衡秤臺采用三臺面搭接結(jié)構(gòu)，利用中節(jié)上的托板和兩邊端節(jié)上的搭板搭接在一起。其主要技術(shù)參數(shù)為：

1）稱量重量：50t。
2）稱量方式：靜態(tài)整車計(jì)量。
3）臺面總體結(jié)構(gòu)尺寸：15m×3m×0.3m。
4）傳感器數(shù)量：8只。

其中，SCS-50系列汽車衡中節(jié)由縱向6根槽鋼、橫向2根槽鋼，上下焊接鋼板，槽鋼間均布筋板形成箱型結(jié)構(gòu)。中節(jié)的總體尺寸為：5m×3m×0.3m，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 秤臺中節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 校核指標(biāo)

生產(chǎn)實(shí)踐中，汽車衡是以剛度指標(biāo)作為重要設(shè)計(jì)依據(jù)的。當(dāng)車輛滿載過秤臺時(shí)，以后輪行至秤臺縱向中間位置時(shí)產(chǎn)生的秤臺彎曲變形，此時(shí)載荷為，秤臺結(jié)構(gòu)必須滿足此時(shí)的剛度要求。按汽車衡秤臺技術(shù)要求，秤臺承受額定載荷時(shí)的允許彎曲變形不得超過秤臺縱向長度的1/800至1/1000，從安全角度出發(fā)，我們?nèi)】v向長度的1/1000作為校核指標(biāo)，即5mm。

1.3 加載

隨著運(yùn)輸車輛類型的增多，裝載能力的提高，汽車衡原有用戶希望已安裝的汽車衡能在特殊情況下偶爾過載承重，前提當(dāng)然是保證安全。本文先對額定承載50t時(shí)進(jìn)行常規(guī)校核，然后，應(yīng)用戶的特殊要求，考慮到原有汽車衡秤臺具有一定的安全系數(shù)，對極限承載100t進(jìn)行校核分析。分別按以下尺寸簡化模型：

（1）承重50t時(shí)受載狀況

雙后橋載重車輪距1.8米，軸距1.2米，單個輪胎著地寬度0.3米，縱向著地長度0.4米，每側(cè)一般為兩個輪胎。加載位置如圖2（a）涂黑所示：

（2）承重100t時(shí)受載狀況

重型載重車輛一般為四后橋結(jié)構(gòu)，其它建模尺寸不變，加載位置如圖2（b）所示：

（a） 承重50噸時(shí)受載狀況 （b）承重100噸時(shí)受載狀況
圖2 秤臺中節(jié)加載示意圖

2 秤臺有限元模型建立

2.1 實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分

ANSYS提供了兩種生成模型的方法：實(shí)體建模和直接生成模型。由于實(shí)體建模相對處理的數(shù)據(jù)較少，便于幾何改進(jìn)和單元類型的變化，這也便于下一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對于龐大或復(fù)雜的模型，尤其是三維實(shí)體模型更加適合，所以對于汽車衡秤臺的剛度校核我們采用實(shí)體建模。

整個秤臺除支撐鐵是35號鋼以外，其余材料都是Q235，所以選定彈性模量為2×1011，泊松比為0.27。

初計(jì)劃定義單元類型為20節(jié)點(diǎn)的6面體單元SOLID95，考慮到上下蓋板形狀規(guī)則，為保證其單元形狀為6面體，蓋板用掃掠網(wǎng)格劃分（SWEEP）或映射網(wǎng)格劃分（MAPPED）。但由于蓋板與槽鋼及筋板焊接處情況較復(fù)雜且厚薄不一，各部分逐個進(jìn)行網(wǎng)格劃分效率低下，且容易出錯，終采用自由網(wǎng)格劃分。而采用自由網(wǎng)格劃分會導(dǎo)致6面體單元SOLID95退化為4面體單元，故終采用10節(jié)點(diǎn)的4面體單元SOLID92。自由網(wǎng)格劃分時(shí)其Smartsizing選定10級，單元尺寸Size定為0.2。

2.2 加載及約束處理

因秤臺面為一大平面，如何按實(shí)際情況在車輪處準(zhǔn)確加載面力是關(guān)鍵。如直接選平面加載，計(jì)算機(jī)會選擇整個平面，顯然不符合實(shí)際，因承載面過大無法反映受載時(shí)的惡劣情況。如在車輪位置處選節(jié)點(diǎn)承受面力，結(jié)果是有限的點(diǎn)去承受整個載荷，結(jié)果難免造成應(yīng)力集中。在車輪位置處選單元承載，無法只選擇其上表面。為了使加載更加符合實(shí)際情況，筆者考慮在車輪處設(shè)計(jì)出加載面。設(shè)計(jì)加載面時(shí)注意一個技巧性問題，如直接用面與面粘接，選擇加載面加載求解時(shí)會出現(xiàn)所選的面未劃分網(wǎng)格無法傳遞載荷的警告。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)閱渭兠媾c面粘接，加載面被視為無質(zhì)量無體積的理想平面，當(dāng)然無法傳遞載荷。考慮到體與體粘接時(shí)會產(chǎn)生共享面，我們試著用底面積與加載面相同的正方體與秤臺上蓋粘接，然后刪除正方體，果然得到了可傳遞載荷的加載面。

汽車衡秤臺實(shí)際工作時(shí)，由限位器進(jìn)行水平方向限位。建立約束條件時(shí)，把限位器簡化為兩側(cè)面限位約束，即秤臺側(cè)面進(jìn)行UX，UZ限制，傳感器支撐處進(jìn)行豎直方向約束，即進(jìn)行UY限制。這樣建立的約束條件，對計(jì)算結(jié)果的相對位移及應(yīng)力都沒有影響。

3 求解

由于模型尺寸較大，節(jié)點(diǎn)及單元數(shù)多，對上述公式求解時(shí)不能采用缺省默認(rèn)的直接解法。考慮到自動迭代法（ITER）適合線性靜態(tài)分析，而且會在雅可比共軛梯度法（JCG）或條件共軛梯度法（PCG）等解法中自動選擇一種合適的迭代法，故終采用自動迭代法，精度水平選定1級，相當(dāng)于公差1.0×10-4，并選擇了條件共軛梯度法。

4 后處理結(jié)果分析及改進(jìn)

（1）變形結(jié)果分析

加載50t時(shí)變形2.8mm，等效應(yīng)力298MPa。加載100t時(shí)變形3.5mm，發(fā)生在車輪與秤臺面接觸處，屬于局部變形，如圖3（a）所示。整體變形發(fā)生在秤臺縱向中間位置處，變形小于變形，如圖3（b）所示。變形均小于5mm，所以剛度指標(biāo)均滿足要求。

（a）承載100噸時(shí)變形圖 （b）整體變形位置
圖3 變形圖

（2）應(yīng)力結(jié)果分析

等效應(yīng)力333.6MPa。還有一節(jié)點(diǎn)處320.6MPa。這兩點(diǎn)均在承重鐵處，都超過了35號鋼的屈服極限315MPa。等效應(yīng)力位置圖及放大圖分別如圖4（a）、（b）所示。

（a）總體等效應(yīng)力圖 （b）承重鐵處等效應(yīng)力圖
圖4 等效應(yīng)力圖

從數(shù)值上看剛度條件均滿足要求，但加載100t時(shí)有兩點(diǎn)超過屈服極限強(qiáng)度。如果仍然按慣例僅去校核剛度指標(biāo)，勢必會得出依然安全的錯誤結(jié)論。為什么會產(chǎn)生這樣的結(jié)果呢？從受載示意圖上可以看出，承重100t時(shí)，車輪增多，承載面積增大，承載面均勻分布在整個秤臺面上。在這種情況下，強(qiáng)度指標(biāo)理應(yīng)取代剛度指標(biāo)，成為主要校核指標(biāo)。

（3）改進(jìn)與建議

根據(jù)以上分析，特殊情況下為解決超負(fù)荷受載問題，從理論上講可以考慮提高承重鐵與傳感器的接觸面積。但是，考慮到更換傳感器的可操作性、終測量值的可靠性以及從主要的安全角度考慮，建議在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)盡量避免超負(fù)荷受載。

5 結(jié)束語

本文初按慣例只是校核其剛度指標(biāo)，剛度指標(biāo)符合要求的情況下，意外發(fā)現(xiàn)100噸極限承重時(shí)在承重鐵處超過屈服極限強(qiáng)度。相對傳統(tǒng)分析方法，體現(xiàn)了有限元法的優(yōu)勢所在。

用有限元法對汽車衡秤臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度、強(qiáng)度校核分析，其結(jié)果比傳統(tǒng)的簡化為簡支梁法更準(zhǔn)確、可靠，且可以獲得傳統(tǒng)方法難以分析的局部區(qū)域應(yīng)力分布及變形，如車輪與秤臺接觸處、承重鐵與傳感器支撐處，而這些區(qū)域往往又是危險(xiǎn)部位。有限元分析結(jié)果為大型秤臺設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考，取得了令人滿意的結(jié)果。

進(jìn)一步的研究工作主要是應(yīng)用ANSYS提供的優(yōu)化功能等對秤臺的總體結(jié)構(gòu)、承重鐵與傳感器結(jié)合面等做深入的研究；而動態(tài)稱重時(shí)，秤臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化也將成為一個重要的研究方向。