傳統(tǒng)的地磅臺(tái)面結(jié)構(gòu)和剛度分析方法是把地磅秤臺(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系列地磅秤臺(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)地磅超載 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，為地磅的設(shè)計(jì) 與生產(chǎn)提供有價(jià)值的參考。

引言

近年來(lái)，作為大型稱重計(jì)量設(shè)備的地磅越來(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)輸車輛類型不斷增多，裝載能力不斷提高，這就對(duì)地磅的承載能力提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的地磅臺(tái)面結(jié)構(gòu)和剛度分析方法是把地磅簡(jiǎn)化成 一簡(jiǎn)支梁，這種簡(jiǎn)化方法計(jì)算簡(jiǎn)單，在地磅行業(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系列地磅秤臺(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

1.1 SCS-50系列地磅秤臺(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：15mx3mx0.3m。

4）傳感器數(shù)量：8只。

其中，SCS-50系列地磅中節(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：5mx3mx0.3m，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2校核指標(biāo)

生產(chǎn)實(shí)踐中，地磅是以剛度指標(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。按地磅秤臺(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)輸車輛類型的增多，裝載能力的提高，地磅原有用 戶希望已安裝的地磅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，考慮到原有地磅秤臺(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：

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 類型為20節(jié)點(diǎn)的6面體單元S0LID95，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S0LID95退化為4面體單元，故最終采 用10節(jié)點(diǎn)的4面體單元S0LID92。自由網(wǎng)格劃分時(shí)其Smart- sizing 選定10級(jí)，單兀尺寸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n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。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(méi)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(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)在雅可比共輒梯度法ICG)或條件共輒梯 度法PCG)等解法中自動(dòng)選擇一種合適的迭代法，故最終采用 自動(dòng)迭代法，精度水平選定1級(jí)，相當(dāng)于公差1.0x10、并選擇了 條件共輒梯度法。

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)最大變形2.8mm，最大等效應(yīng)力298MP;。加載 100=時(shí)最大變形3.5mm，發(fā)生在車輪與秤臺(tái)面接觸處，屬于局部 變形，如圖3 ;)所示。整體最大變形發(fā)生在秤臺(tái)縱向中間位置 處，變形小于最大變形，如圖3 E)所示。最大變形均小于5mm， 所以剛度指標(biāo)均滿足要求。

2)應(yīng)力結(jié)果分析 最大等效應(yīng)力333.6MP;。還有一節(jié)點(diǎn)處320.6MP;。這兩點(diǎn) 均在承重鐵處，都超過(guò)了 35號(hào)鋼的屈服極限315MP;。最大等效 應(yīng)力位置圖及放大圖分別如圖4 ;)、E)所示。

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)。

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(wèn)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、最終測(cè)量值的可靠性以及從最主要的安 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(yǔ)

本文最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(guò)屈服極 限強(qiáng)度。相對(duì)傳統(tǒng)分析方法，體現(xiàn)了有限元法的優(yōu)勢(shì)所在。

用有限元法對(duì)地磅秤臺(tái)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(jiǎn)化為簡(jiǎn)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(tái)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(tái)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(duì)秤臺(tái)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(dòng)態(tài)稱重時(shí)，秤臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化也將成為一個(gè)重要的研究方向。