電子汽車衡的基本說明

　近年來，作為大型稱重計量設(shè)備的電子汽車衡越來越廣泛地應(yīng)用于工礦企業(yè)、交通運輸、港口、倉庫等各個部門。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，運輸車輛類型不斷增多，裝載能力不斷提高，這就對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，這種簡化方法計算簡單，在汽車衡行業(yè)的設(shè)計和校核計算中曾廣泛采用，但這種建模方法也正是因為模型過于簡化而導(dǎo)致zui終結(jié)果的不可靠。隨著計算機技術(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)力學分析中強有力的工具。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)的三維實體模型，以期在更加符合實際條件的模型基礎(chǔ)上對秤臺的剛度和強度進行校核，并提出合理的改進建議。

　　*、針對于電子汽車衡的秤臺結(jié)構(gòu)尺寸、校核指標及受載狀況

　　A. SCS-50 系列汽車衡秤臺結(jié)構(gòu)分析

　　為制造加工、運輸及安裝方便，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。

　　B. 校核指標

　　生產(chǎn)實踐中，汽車衡是以剛度指標作為重要設(shè)計依據(jù)的。當車輛滿載過秤臺時，以后輪行至秤臺縱向中間位置時產(chǎn)生的秤臺彎曲變形zui大，此時載荷為zui大，秤臺結(jié)構(gòu)必須滿足此時的剛度要求。按汽車衡秤臺技術(shù)要求，秤臺承受額定載荷時的允許zui大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，即5mm。

　　C.加載

　　隨著運輸車輛類型的增多，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載承重，前提當然是保證安全。上海恭航衡器先對額定承載50t 時進行常規(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具有一定的安全系數(shù)，對極限承載100t 進行校核分析。分別按以下尺寸簡化模型：

　　（1）承重50t 時受載狀況

　　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。

　?。?）承重100t 時受載狀況

　　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、針對電子汽車衡秤臺有限元模型建立

　　A.實體建模及網(wǎng)格劃分

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

　　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。zui初計劃定義單元類型為20 節(jié)點的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，各部分逐個進行網(wǎng)格劃分效率低下，且容易出錯，zui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zui終采用10 節(jié)點的4 面體單元SOLID92。自由網(wǎng)格劃分時其Smartsizing 選定10 級，單元尺寸Size 定為0.2。

　　B.加載及約束處理

　　因秤臺面為一大平面，如何按實際情況在車輪處準確加載面力是關(guān)鍵。如直接選平面加載，計算機會選擇整個平面，顯然不符合實際，因承載面過大無法反映受載時的惡劣情況。如在車輪位置處選節(jié)點承受面力，結(jié)果是有限的點去承受整個載荷，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際情況，筆者考慮在車輪處設(shè)計出加載面。設(shè)計加載面時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)這種情況是因為單純面與面粘接，加載面被視為無質(zhì)量無體積的理想平面，當然無法傳遞載荷。考慮到體與體粘接時會產(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。

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

　　第三、針對電子汽車衡的求解后處理結(jié)果分析及改進

　　由于模型尺寸較大，節(jié)點及單元數(shù)多，對上述公式求解時不能采用缺省默認的直接解法?？紤]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zui終采用自動迭代法，精度水平選定1 級，相當于公差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zui大變形2.8mm，zui大等效應(yīng)力298MPa。加載100t 時zui大變形3.5mm，發(fā)生在車輪與秤臺面接觸處，屬于局部變形。整體zui大變形發(fā)生在秤臺縱向中間位置處，變形小于zui大變形。zui大變形均小于5mm，所以剛度指標均滿足要求。

　?。?）應(yīng)力結(jié)果分析

　　zui大等效應(yīng)力333.6MPa。還有一節(jié)點處320.6MPa。這兩點均在承重鐵處，都超過了35號鋼的屈服極限315MPa。

　?。?）從數(shù)值上看剛度條件均滿足要求，但加載100t 時有兩點超過屈服極限強度。如果仍然按慣例僅去校核剛度指標，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，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，強度指標理應(yīng)取代剛度指標，成為主要校核指標。

　?。?）改進與建議

　　根據(jù)以上分析，上海恭航考慮在特殊情況下為解決超負荷受載問題，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終測量值的可靠性以及從zui主要的安全角度考慮，建議在實際使用時應(yīng)盡量避免超負荷受載。