傳統的汽車衡臺面結構和剛度分析方法是把汽車衡秤臺簡化成一簡支梁，因其模型過于簡化，存在計算結果可靠性差、無法進行局部應力及應變分析等缺點。本文利用ANSYS有限元分析軟件，對SCS系列汽車衡秤臺進行分析。在實體建模的基礎上對剛度進行校核，重點對汽車衡超載時進行極限承載校核，得出超載時強度指標也應成為主要校核指標的結論，并給出合理的改進建議，為汽車衡的設計與生產提供有價值的參考。
關鍵詞：ANSYS；有限元分析；汽車衡；剛度；強度
引言
近年來，作為大型稱重計量設備的汽車衡越來越廣泛地應用于工礦企業、交通運輸、港口、倉庫等各個部門。隨著經濟的發展，運輸車輛類型不斷增多，裝載能力不斷提高，這就對汽車衡的承載能力提出了更高的要求[1]。
傳統的汽車衡臺面結構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，在汽車衡行業的設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致終結果的不可靠。隨著計算機技術的日益發展和廣泛應用，有限元分析方法逐漸成為結構力學分析中強有力的工具。
的ANSYS軟件是目前廣泛應用的大型的以有限元分析為基礎的CAE軟件。利用ANSYS，建立SCS系列汽車衡秤臺中節的三維實體模型，以期在更加符合實際條件的模型基礎上對秤臺的剛度和強度進行校核，并提出合理的改進建議。
1 秤臺結構尺寸、校核指標及受載狀況
1.1 SCS-50系列汽車衡秤臺結構分析
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構，利用中節上的托板和兩邊端節上的搭板搭接在一起。其主要技術參數為：
1）稱量重量：50t。
2）稱量方式：靜態整車計量。
3）臺面總體結構尺寸：15m×3m×0.3m。
4）傳感器數量：8只。
其中，SCS-50系列汽車衡中節由縱向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構。中節的總體尺寸為：5m×3m×0.3m，結構示意圖如圖1所示。
圖1 秤臺中節結構示意圖
1.2 校核指標
生產實踐中，汽車衡是以剛度指標作為重要設計依據的。當車輛滿載過秤臺時，以后輪行至秤臺縱向中間位置時產生的秤臺彎曲變形，此時載荷為，秤臺結構必須滿足此時的剛度要求。按汽車衡秤臺技術要求，秤臺承受額定載荷時的允許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，我們取縱向長度的1/1000作為校核指標，即5mm。
1.3 加載
隨著運輸車輛類型的增多，裝載能力的提高，汽車衡原有用戶希望已安裝的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。本文先對額定承載50t時進行常規校核，然后，應用戶的特殊要求，考慮到原有汽車衡秤臺具有一定的安全系數，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，每側一般為兩個輪胎。加載位置如圖2（a）涂黑所示：
（2）承重100t時受載狀況
重型載重車輛一般為四后橋結構，其它建模尺寸不變，加載位置如圖2（b）所示：
（a） 承重50噸時受載狀況 （b）承重100噸時受載狀況
圖2 秤臺中節加載示意圖
2 秤臺有限元模型建立
2.1 實體建模及網格劃分
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據較少，便于幾何改進和單元類型的變化，這也便于下一步的優化設計。對于龐大或復雜的模型，尤其是三維實體模型更加適合，所以對于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。
初計劃定義單元類型為20節點的6面體單元SOLID95，考慮到上下蓋板形狀規則，為保證其單元形狀為6面體，蓋板用掃掠網格劃分（SWEEP）或映射網格劃分（MAPPED）。但由于蓋板與槽鋼及筋板焊接處情況較復雜且厚薄不一，各部分逐個進行網格劃分效率低下，且容易出錯，終采用自由網格劃分。而采用自由網格劃分會導致6面體單元SOLID95退化為4面體單元，故終采用10節點的4面體單元SOLID92。自由網格劃分時其Smartsizing選定10級，單元尺寸Size定為0.2。
2.2 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點承受面力，結果是有限的點去承受整個載荷，結果難免造成應力集中。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計出加載面。設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所選的面未劃分網格無法傳遞載荷的警告。出現這種情況是因為單純面與面粘接，加載面被視為無質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。
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面限位約束，即秤臺側面進行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，對計算結果的相對位移及應力都沒有影響。
3 求解
由于模型尺寸較大，節點及單元數多，對上述公式求解時不能采用缺省默認的直接解法。考慮到自動迭代法（ITER）適合線性靜態分析，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。
4 后處理結果分析及改進
（1）變形結果分析
加載50t時變形2.8mm，等效應力298MPa。加載100t時變形3.5mm，發生在車輪與秤臺面接觸處，屬于局部變形，如圖3（a）所示。整體變形發生在秤臺縱向中間位置處，變形小于變形，如圖3（b）所示。變形均小于5mm，所以剛度指標均滿足要求。
（a）承載100噸時變形圖 （b）整體變形位置
圖3 變形圖
（2）應力結果分析
等效應力333.6MPa。還有一節點處320.6MPa。這兩點均在承重鐵處，都超過了35號鋼的屈服極限315MPa。等效應力位置圖及放大圖分別如圖4（a）、（b）所示。
（a）總體等效應力圖 （b）承重鐵處等效應力圖
圖4 等效應力圖
從數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論。為什么會產生這樣的結果呢？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，強度指標理應取代剛度指標，成為主要校核指標。
（3）改進與建議
根據以上分析，特殊情況下為解決超負荷受載問題，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、終測量值的可靠性以及從主要的安全角度考慮，建議在實際使用時應盡量避免超負荷受載。
5 結束語
本文初按慣例只是校核其剛度指標，剛度指標符合要求的情況下，意外發現100噸極限承重時在承重鐵處超過屈服極限強度。相對傳統分析方法，體現了有限元法的優勢所在。
用有限元法對汽車衡秤臺結構進行剛度、強度校核分析，其結果比傳統的簡化為簡支梁法更準確、可靠，且可以獲得傳統方法難以分析的局部區域應力分布及變形，如車輪與秤臺接觸處、承重鐵與傳感器支撐處，而這些區域往往又是危險部位。有限元分析結果為大型秤臺設計提供了有價值的參考，取得了令人滿意的結果。
進一步的研究工作主要是應用ANSYS提供的優化功能等對秤臺的總體結構、承重鐵與傳感器結合面等做深入的研究；而動態稱重時，秤臺的結構設計與優化也將成為一個重要的研究方向。
