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多台面模块化汽车衡秤台的有限元分析 |
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作者：刘梅 钟佩思 孙兆洋 孟晓军 丁淑辉 |
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摘要：传统的汽车衡台面结构和刚度分析方法是把汽车衡秤台简化成一简支梁，因其模型过于简化，存在计算结果可靠性差、无法进行局部应力及应变分析等缺点。本文利用ANSYS有限元分析软件，对SCS系列汽车衡秤台进行分析。在实体建模的基础上对刚度进行校核，重点对汽车衡超载时进行极限承载校核，得出超载时强度指标也应成为主要校核指标的结论，并给出合理的改进建议，为汽车衡的设计与生产提供有价值的参考。
关键词：ANSYS；有限元分析；汽车衡；刚度；强度
引言
近年来，作为大型称重计量设备的汽车衡越来越广泛地应用于工矿企业、交通运输、港口、仓库等各个部门。随着经济的发展，运输车辆类型不断增多，装载能力不断提高，这就对汽车衡的承载能力提出了更高的要求[1]。
传统的汽车衡台面结构和刚度分析方法是把汽车衡简化成一简支梁，这种简化方法计算简单，在汽车衡行业的设计和校核计算中曾广泛采用，但这种建模方法也正是因为模型过于简化而导致最终结果的不可靠。随着计算机技术的日益发展和广泛应用，有限元分析方法逐渐成为结构力学分析中强有力的工具。
著名的ANSYS软件是目前广泛应用的大型的以有限元分析为基础的CAE软件。利用ANSYS，建立SCS系列汽车衡秤台中节的三维实体模型，以期在更加符合实际条件的模型基础上对秤台的刚度和强度进行精确校核，并提出合理的改进建议。
1 秤台结构尺寸、校核指标及受载状况
1.1 SCS-50系列汽车衡秤台结构分析
为制造加工、运输及安装方便，SCS-50系列汽车衡秤台采用三台面搭接结构，利用中节上的托板和两边端节上的搭板搭接在一起。其主要技术参数为：
1）称量重量：50t。
2）称量方式：静态整车计量。
3）台面总体结构尺寸：15m×3m×0.3m。
4）传感器数量：8只。
其中，SCS-50系列汽车衡中节由纵向6根槽钢、横向2根槽钢，上下焊接钢板，槽钢间均布筋板形成箱型结构。中节的总体尺寸为：5m×3m×0.3m，结构示意图如图1所示。
图1 秤台中节结构示意图
1.2 校核指标
生产实践中，汽车衡是以刚度指标作为重要设计依据的。当车辆满载过秤台时，以后轮行至秤台纵向中间位置时产生的秤台弯曲变形最大，此时载荷为最大，秤台结构必须满足此时的刚度要求。按汽车衡秤台技术要求，秤台承受额定载荷时的允许最大弯曲变形不得超过秤台纵向长度的1/800至1/1000，从安全角度出发，我们取纵向长度的1/1000作为校核指标，即5mm。
1.3 加载
随着运输车辆类型的增多，装载能力的提高，汽车衡原有用户希望已安装的汽车衡能在特殊情况下偶尔过载承重，前提当然是保证安全。本文先对额定承载50t时进行常规校核，然后，应用户的特殊要求，考虑到原有汽车衡秤台具有一定的安全系数，对极限承载100t进行校核分析。分别按以下尺寸简化模型：
（1）承重50t时受载状况
双后桥载重车轮距1.8米，轴距1.2米，单个轮胎着地宽度0.3米，纵向着地长度0.4米，每侧一般为两个轮胎。加载位置如图2（a）涂黑所示：
（2）承重100t时受载状况
重型载重车辆一般为四后桥结构，其它建模尺寸不变，加载位置如图2（b）所示：
（a） 承重50吨时受载状况 （b）承重100吨时受载状况
图2 秤台中节加载示意图
2 秤台有限元模型建立
2.1 实体建模及网格划分
ANSYS提供了两种生成模型的方法：实体建模和直接生成模型。由于实体建模相对处理的数据较少，便于几何改进和单元类型的变化，这也便于下一步的优化设计。对于庞大或复杂的模型，尤其是三维实体模型更加适合，所以对于汽车衡秤台的刚度校核我们采用实体建模。
整个秤台除支撑铁是35号钢以外，其余材料都是Q235，所以选定弹性模量为2×1011，泊松比为0.27。
最初计划定义单元类型为20节点的6面体单元SOLID95，考虑到上下盖板形状规则，为保证其单元形状为6面体，盖板用扫掠网格划分（SWEEP）或映射网格划分（MAPPED）。但由于盖板与槽钢及筋板焊接处情况较复杂且厚薄不一，各部分逐个进行网格划分效率低下，且容易出错，最终采用自由网格划分。而采用自由网格划分会导致6面体单元SOLID95退化为4面体单元，故最终采用10节点的4面体单元SOLID92。自由网格划分时其Smartsizing选定10级，单元尺寸Size定为0.2。
2.2 加载及约束处理
因秤台面为一大平面，如何按实际情况在车轮处准确加载面力是关键。如直接选平面加载，计算机会选择整个平面，显然不符合实际，因承载面过大无法反映受载时的恶劣情况。如在车轮位置处选节点承受面力，结果是有限的点去承受整个载荷，结果难免造成应力集中。在车轮位置处选单元承载，无法只选择其上表面。为了使加载更加符合实际情况，笔者考虑在车轮处设计出加载面。设计加载面时注意一个技巧性问题，如直接用面与面粘接，选择加载面加载求解时会出现所选的面未划分网格无法传递载荷的警告。出现这种情况是因为单纯面与面粘接，加载面被视为无质量无体积的理想平面，当然无法传递载荷。考虑到体与体粘接时会产生共享面，我们试着用底面积与加载面相同的正方体与秤台上盖粘接，然后删除正方体，果然得到了可传递载荷的加载面。
汽车衡秤台实际工作时，由限位器进行水平方向限位。建立约束条件时，把限位器简化为两侧面限位约束，即秤台侧面进行UX，UZ限制，传感器支撑处进行竖直方向约束，即进行UY限制。这样建立的约束条件，对计算结果的相对位移及应力都没有影响。
3 求解
由于模型尺寸较大，节点及单元数多，对上述公式求解时不能采用缺省默认的直接解法。考虑到自动迭代法（ITER）适合线性静态分析，而且会在雅可比共轭梯度法（JCG）或条件共轭梯度法（PCG）等解法中自动选择一种合适的迭代法，故最终采用自动迭代法，精度水平选定1级，相当于公差1.0×10-4，并选择了条件共轭梯度法。
4 后处理结果分析及改进
（1）变形结果分析
加载50t时最大变形2.8mm，最大等效应力298MPa。加载100t时最大变形3.5mm，发生在车轮与秤台面接触处，属于局部变形，如图3（a）所示。整体最大变形发生在秤台纵向中间位置处，变形小于最大变形，如图3（b）所示。最大变形均小于5mm，所以刚度指标均满足要求。
（a）承载100吨时变形图 （b）整体最大变形位置
图3 变形图
（2）应力结果分析
最大等效应力333.6MPa。还有一节点处320.6MPa。这两点均在承重铁处，都超过了35号钢的屈服极限315MPa。最大等效应力位置图及放大图分别如图4（a）、（b）所示。
（a）总体等效应力图 （b）承重铁处等效应力图
图4 等效应力图
从数值上看刚度条件均满足要求，但加载100t时有两点超过屈服极限强度。如果仍然按惯例仅去校核刚度指标，势必会得出依然安全的错误结论。为什么会产生这样的结果呢？从受载示意图上可以看出，承重100t时，车轮增多，承载面积增大，承载面均匀分布在整个秤台面上。在这种情况下，强度指标理应取代刚度指标，成为主要校核指标。
（3）改进与建议
根据以上分析，特殊情况下为解决超负荷受载问题，从理论上讲可以考虑提高承重铁与传感器的接触面积。但是，考虑到更换传感器的可操作性、最终测量值的可靠性以及从最主要的安全角度考虑，建议在实际使用时应尽量避免超负荷受载。
5 结束语
本文最初按惯例只是校核其刚度指标，刚度指标符合要求的情况下，意外发现100吨极限承重时在承重铁处超过屈服极限强度。相对传统分析方法，体现了有限元法的优势所在。
用有限元法对汽车衡秤台结构进行刚度、强度校核分析，其结果比传统的简化为简支梁法更准确、可靠，且可以获得传统方法难以分析的局部区域应力分布及变形，如车轮与秤台接触处、承重铁与传感器支撑处，而这些区域往往又是危险部位。有限元分析结果为大型秤台设计提供了有价值的参考，取得了令人满意的结果。
进一步的研究工作主要是应用ANSYS提供的优化功能等对秤台的总体结构、承重铁与传感器结合面等做深入的研究；而动态称重时，秤台的结构设计与优化也将成为一个重要的研究方向。
参考文献
[1] 王祯荣. 浅谈电子汽车衡秤台结构与刚度计算[J]. 衡器，1997,9(1):24-26(end)
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(5/29/2005) |
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