電子汽車衡的基本說(shuō)明

　近年來(lái)，作為大型稱重計(jì)量設(shè)備的電子汽車衡越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工礦企業(yè)、交通運(yùn)輸、港口、倉(cāng)庫(kù)等各個(gè)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(duì)電子汽車衡的承載能力提出了更高的要求。

　　傳統(tǒng)的電子汽車衡臺(tái)面結(jié)構(gòu)和剛度分析方法是把汽車衡簡(jiǎn)化成一簡(jiǎn)支梁，這種簡(jiǎn)化方法計(jì)算簡(jiǎn)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^(guò)于簡(jiǎn)化而導(dǎo)致zui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(tái)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(duì)秤臺(tái)的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行校核，并提出合理的改進(jìn)建議。

　　*、針對(duì)于電子汽車衡的秤臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸、校核指標(biāo)及受載狀況

　　A. SCS-50 系列汽車衡秤臺(tái)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(tái)采用三臺(tái)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(tái)面總體結(jié)構(gòu)尺寸：15m×3m×0.3m。

　　4）傳感器數(shù)量：8 只。

　　B. 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(guò)秤臺(tái)時(shí)，以后輪行至秤臺(tái)縱向中間位置時(shí)產(chǎn)生的秤臺(tái)彎曲變形zui大，此時(shí)載荷為zui大，秤臺(tái)結(jié)構(gòu)必須滿足此時(shí)的剛度要求。按汽車衡秤臺(tái)技術(shù)要求，秤臺(tái)承受額定載荷時(shí)的允許zui大彎曲變形不得超過(guò)秤臺(tái)縱向長(zhǎng)度的1/800 至1/1000，從安全角度出發(fā)，我們?nèi)】v向長(zhǎng)度的1/1000 作為校核指標(biāo)，即5mm。

　　C.加載

　　隨著運(yùn)輸車輛類型的增多，裝載能力的提高，電子汽車衡原有用戶希望已安裝的電子汽車衡能在特殊情況下偶爾過(guò)載承重，前提當(dāng)然是保證安全。上海恭航衡器先對(duì)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，考慮到原有電子汽車衡秤臺(tái)具有一定的安全系數(shù)，對(duì)極限承載100t 進(jìn)行校核分析。分別按以下尺寸簡(jiǎn)化模型：

　?。?）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(gè)輪胎著地寬度0.3 米，縱向著地長(zhǎng)度0.4 米，每側(cè)一般為兩個(gè)輪胎。

　?。?）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。

　　第二、針對(duì)電子汽車衡秤臺(tái)有限元模型建立

　　A.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(duì)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(duì)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(duì)于電子汽車衡秤臺(tái)的剛度校核我們采用實(shí)體建模。

　　整個(gè)秤臺(tái)除支撐鐵是35 號(hào)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。zui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(gè)進(jìn)行網(wǎng)格劃分效率低下，且容易出錯(cuò)，zui終采用自由網(wǎng)格劃分。而采用自由網(wǎng)格劃分會(huì)導(dǎo)致6 面體單元SOLID95 退化為4 面體單元，故zui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(jí)，單元尺寸Size 定為0.2。

　　B.加載及約束處理

　　因秤臺(tái)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(huì)選擇整個(gè)平面，顯然不符合實(shí)際，因承載面過(guò)大無(wú)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(gè)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(wú)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(gè)技巧性問(wèn)題，如直接用面與面粘接，選擇加載面加載求解時(shí)會(huì)出現(xiàn)所選的面未劃分網(wǎng)格無(wú)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(wú)質(zhì)量無(wú)體積的理想平面，當(dāng)然無(wú)法傳遞載荷?？紤]到體與體粘接時(shí)會(huì)產(chǎn)生共享面，我們?cè)囍玫酌娣e與加載面相同的正方體與秤臺(tái)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。

　　電子汽車衡秤臺(tái)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(jiǎn)化為兩側(cè)面限位約束，即秤臺(tái)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(duì)計(jì)算結(jié)果的相對(duì)位移及應(yīng)力都沒有影響。

　　第三、針對(duì)電子汽車衡的求解后處理結(jié)果分析及改進(jìn)

　　由于模型尺寸較大，節(jié)點(diǎn)及單元數(shù)多，對(duì)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(dòng)迭代法（ITER）適合線性靜態(tài)分析，而且會(huì)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(dòng)選擇一種合適的迭代法，故zui終采用自動(dòng)迭代法，精度水平選定1 級(jí)，相當(dāng)于公差1.0×10-4，并選擇了條件共軛梯度法。

　?。?）變形結(jié)果分析

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

　　（2）應(yīng)力結(jié)果分析

　　zui大等效應(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(guò)了35號(hào)鋼的屈服極限315MPa。

　　（3）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(guò)屈服極限強(qiáng)度。如果仍然按慣例僅去校核剛度指標(biāo)，勢(shì)必會(huì)得出依然安全的錯(cuò)誤結(jié)論。為什么會(huì)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(gè)秤臺(tái)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)。

　?。?）改進(jìn)與建議

　　根據(jù)以上分析，上海恭航考慮在特殊情況下為解決超負(fù)荷受載問(wèn)題，從理論上講可以度著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、zui終測(cè)量值的可靠性以及從zui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。