摘要：傳統(tǒng)的汽車(chē)衡臺(tái)面結(jié)構(gòu)和剛度分析方法是把汽車(chē)衡秤臺(tái)簡(jiǎn)化成一簡(jiǎn)支梁，因其模型過(guò)于簡(jiǎn)化，存在計(jì)算結(jié)果可靠性差、無(wú)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(duì)SCS系列汽車(chē)衡秤臺(tái)進(jìn)行分析。在實(shí)體建模的基礎(chǔ)上對(duì)剛度進(jìn)行校核，重點(diǎn)對(duì)汽車(chē)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(chē)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(chē)衡；剛度；強(qiáng)度

引言

近年來(lái)，作為大型稱(chēng)重計(jì)量設(shè)備的汽車(chē)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(mén)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，運(yùn)輸車(chē)輛類(lèi)型不斷增多，裝載能力不斷提高，這就對(duì)汽車(chē)衡的承載能力提出了更高的要求[1]。

傳統(tǒng)的汽車(chē)衡臺(tái)面結(jié)構(gòu)和剛度分析方法是把汽車(chē)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(chē)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)致最終結(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。

著名的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(chē)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)行精確校核，并提出合理的改進(jìn)建議。

1秤臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸、校核指標(biāo)及受載狀況

1.1SCS-50系列汽車(chē)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(chē)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(chēng)量重量：50t。
2）稱(chēng)量方式：靜態(tài)整車(chē)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。

其中，SCS-50系列汽車(chē)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(tái)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(chē)衡是以剛度指標(biāo)作為重要設(shè)計(jì)依據(jù)的。當(dāng)車(chē)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)彎曲變形最大，此時(shí)載荷為最大，秤臺(tái)結(jié)構(gòu)必須滿足此時(shí)的剛度要求。按汽車(chē)衡秤臺(tái)技術(shù)要求，秤臺(tái)承受額定載荷時(shí)的允許最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。

1.3加載

隨著運(yùn)輸車(chē)輛類(lèi)型的增多，裝載能力的提高，汽車(chē)衡原有用戶希望已安裝的汽車(chē)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。本文先對(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，考慮到原有汽車(chē)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：

（1）承重50t時(shí)受載狀況

雙后橋載重車(chē)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。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(chē)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(tái)中節(jié)加載示意圖2秤臺(tái)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(duì)處理的數(shù)據(jù)較少，便于幾何改進(jìn)和單元類(lèi)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)于汽車(chē)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。

最初計(jì)劃定義單元類(lèi)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)，最終采用自由網(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，故最終采用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。

2.2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(chē)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(chē)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(chē)輪位置處選單元承