傳統的地磅臺面結構和剛度分析方法是把地磅秤臺簡(jiǎn)化成一簡(jiǎn)支梁，因其模型過(guò)于簡(jiǎn)化，存在計算結果可 靠性差、無(wú)法進(jìn)行局部應力及應變分析等缺點(diǎn)。本文利用 ANSYS有限元分析軟件，對SCS系列地磅秤臺進(jìn)行分析。 在實(shí)體建模的基礎上對剛度進(jìn)行校核，重點(diǎn)對地磅超載 時(shí)進(jìn)行極限承載校核，得出超載時(shí)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(jìn)建議，為地磅的設計 與生產(chǎn)提供有價(jià)值的參考。

引言

近年來(lái)，作為大型稱(chēng)重計量設備的地磅越來(lái)越廣泛地應 用于工礦企業(yè)、交通運輸、港口、倉庫等各個(gè)部門(mén)。隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā) 展，運輸車(chē)輛類(lèi)型不斷增多，裝載能力不斷提高，這就對地磅的承載能力提出了更高的要求。

傳統的地磅臺面結構和剛度分析方法是把地磅簡(jiǎn)化成 一簡(jiǎn)支梁，這種簡(jiǎn)化方法計算簡(jiǎn)單，在地磅行業(yè)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(guò)于簡(jiǎn)化 而導致最終結果的不可靠。隨著(zhù)計算機技術(shù)的日益發(fā)展和廣泛 應用，有限元分析方法逐漸成為結構力學(xué)分析中強有力的工具。

著(zhù)名的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系列地磅秤臺中節的三維實(shí)體模型，以期在更加符合實(shí)際條件的模型基礎上 對秤臺的剛度和強度進(jìn)行精確校核，并提出合理的改進(jìn)建議。

1.秤臺結構尺寸、校核指標及受載狀況

1.1 SCS-50系列地磅秤臺結構分析 為制造加工、運輸及安裝方便，SCS-50系列汽車(chē)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(shù)參數為：

1）稱(chēng)量重量：50t。

2）稱(chēng)量方式:靜態(tài)整車(chē)計量。

3）臺面總體結構尺寸：15mx3mx0.3m。

4）傳感器數量：8只。

其中，SCS-50系列地磅中節由縱向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：5mx3mx0.3m，結構示意圖如圖1所示。

1.2校核指標

生產(chǎn)實(shí)踐中，地磅是以剛度指標作為重要設計依據的。當 車(chē)輛滿(mǎn)載過(guò)秤臺時(shí)，以后輪行至秤臺縱向中間位置時(shí)產(chǎn)生的秤 臺彎曲變形最大，此時(shí)載荷為最大，秤臺結構必須滿(mǎn)足此時(shí)的剛 度要求。按地磅秤臺技術(shù)要求，秤臺承受額定載荷時(shí)的允許最 大彎曲變形不得超過(guò)秤臺縱向長(cháng)度的1/800至1/1000，從安全 角度出發(fā)，我們取縱向長(cháng)度的1/1000作為校核指標，即5mm。

1.3 加載

隨著(zhù)運輸車(chē)輛類(lèi)型的增多，裝載能力的提高，地磅原有用 戶(hù)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 然是保證安全。本文先對額定承載50t時(shí)進(jìn)行常規校核，然后， 應用戶(hù)的特殊要求，考慮到原有地磅秤臺具有一定的安全系 數，對極限承載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(zhù)地寬度 0.3米，縱向著(zhù)地長(cháng)度0.4米，每側一般為兩個(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)輛一般為四后橋結構，其它建模尺寸不變，加載 位置如圖2 b)所示：

2.秤臺有限元模型建立

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)體建模相對處理的數據較少，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)化設計。對于龐大或復雜的模 型，尤其是三維實(shí)體模型更加適合，所以對于汽車(chē)衡秤臺的剛度 校核我們采用實(shí)體建模。

整個(gè)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。最初計劃定義單元 類(lèi)型為20節點(diǎn)的6面體單元S0LID95，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(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，最終采用自由網(wǎng)格劃分。而采用自由網(wǎng)格 劃分會(huì )導致6面體單元S0LID95退化為4面體單元，故最終采 用10節點(diǎn)的4面體單元S0LID92。自由網(wǎng)格劃分時(shí)其Smart- sizing 選定10級，單兀尺寸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(shí)際情況在車(chē)輪處準確加載 面力是關(guān)鍵。如直接選平面加載，計算機會(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) 輪位置處選節點(diǎn)承受面力，結果是有限的點(diǎn)去承受整個(gè)載荷，結 果難免造成應力集中。在車(chē)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(chē)輪處設計 出加載面。設計加載面時(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 )出現所選的面未劃分網(wǎng)格無(wú)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n載面 被視為無(wú)質(zhì)量無(wú)體積的理想平面，當然無(wú)法傳遞載荷?？紤]到體 與體粘接時(shí)會(huì )產(chǎn)生共享面，我們試著(zhù)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(chē)衡秤臺實(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)化為兩側面限位約束，即秤臺 側面進(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，對計算結果的相對位移及應 力都沒(méi)有影響。

3.求解

由于模型尺寸較大，節點(diǎn)及單元數多，對上述公式求解時(shí)不 能采用缺省默認的直接解法?？紤]到自動(dòng)迭代法ITER)適合線(xiàn) 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，相當于公差1.0x10、并選擇了 條件共輒梯度法。

4.后處理結果分析及改進(jìn)

1)變形結果分析

加載50t時(shí)最大變形2.8mm，最大等效應力298MP;。加載 100=時(shí)最大變形3.5mm，發(fā)生在車(chē)輪與秤臺面接觸處，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， 所以剛度指標均滿(mǎn)足要求。

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

從數值上看剛度條件均滿(mǎn)足要求，但加載100t時(shí)有兩點(diǎn)超 過(guò)屈服極限強度。如果仍然按慣例僅去校核剛度指標，勢必會(huì )得 出依然安全的錯誤結論。為什么會(huì )產(chǎn)生這樣的結果呢？從受載示 意圖上可以看出，承重100t時(shí)，車(chē)輪增多，承載面積增大，承載 面均勻分布在整個(gè)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(jìn)與建議

根據以上分析，特殊情況下為解決超負荷受載問(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)應盡量避免超負荷受載。

5.結束語(yǔ)

本文最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(fā)現100噸極限承重時(shí)在承重鐵處超過(guò)屈服極 限強度。相對傳統分析方法，體現了有限元法的優(yōu)勢所在。

用有限元法對地磅秤臺結構進(jìn)行剛度、強度校核分析，其 結果比傳統的簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)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(chē)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(jià)值的參考，取得了令人滿(mǎn) 意的結果。

進(jìn)一步的研究工作主要是應用ANSYS提供的優(yōu)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(dòng)態(tài)稱(chēng)重時(shí)，秤臺的結構設計與優(yōu)化也將成為一個(gè)重要的研究方向。