汽車衡承載架結(jié)構(gòu)的有限元分析*

楊國軍，石林榕，安軍芳，2，王麗娟，戴 飛，張鋒偉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站，甘肅 蘭州 730046)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，電子汽車衡這種快速、準(zhǔn)確、自動稱量可靠性高的計(jì)量器具，越來越多地應(yīng)用于企業(yè)、商貿(mào)港口、倉儲等領(lǐng)域，在物料管理等方面起到了重要作用［1］。承載架是汽車衡的主要承載部件，工作中要承擔(dān)汽車及承載質(zhì)量的全部載荷，這對汽車衡的承載能力提出了更高要求，筆者針對蘭州金和電子衡器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SCS系列汽車衡承載架進(jìn)行了動靜態(tài)有限元分析計(jì)算。

2 承載架建模

SCS系列汽車衡承載架通過裝板和感應(yīng)器由螺栓相連接，然后將相應(yīng)的4個(gè)稱重感應(yīng)器進(jìn)行與地面的固定約束。汽車衡實(shí)際工況為空間四點(diǎn)支撐，屬于靜不定支撐方式。按照汽車衡承載架的技術(shù)要求，承載架承受額定載荷時(shí)的允許最大彎曲變形不得超過承載架縱向長度的1/800～1/1000，選擇縱向長度作為強(qiáng)度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其額定載荷50 t，極限載荷為100 t［4］。電子衡承載架結(jié)構(gòu)各個(gè)部分的幾何形狀、具體尺寸由實(shí)地測量獲得，然后使用ANSYS10.0建立有限元模型。模型如圖1所示。

(1)網(wǎng)格劃分 本承載架是空間薄壁梁和板組成的結(jié)構(gòu)，故將承載架劃分成板單元，在截面變化區(qū)域和可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方采用細(xì)化處理。整個(gè)承載架被離散為125007個(gè)面單元，41637個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元類型為shell181，經(jīng)劃分后的有限元模型如圖2。

圖1 承載架三維實(shí)體模型

圖2 網(wǎng)格劃分

(2)約束處理 汽車衡承載架主要受4個(gè)傳感器垂直向上的四點(diǎn)約束，計(jì)算時(shí)為防止產(chǎn)生剛性位移，對其中2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了水平方向的約束(對其中一個(gè)點(diǎn)施加了2個(gè)水平方向的約束，另外一個(gè)點(diǎn)施加了1個(gè)水平方向的約束)，使承載架整體在水平方向上為靜定約束，不產(chǎn)生橫向拉壓應(yīng)力。

(3)承載架受力分析 實(shí)車靜止工況下，據(jù)分析得出車輪與承載架的總接觸面積為0.24 m2，經(jīng)計(jì)算，在承載架分別受50 t額定載荷和100 t極限載荷的情況下，承載架與輪胎接觸部位所受的分布載荷分別為 2.04 MPa、4.08 MPa。

(4)SCS系列汽車衡主要參數(shù) 大噸位的SCS系列汽車衡的額定重量為50 t，極限重量為100 t，稱量方式采用靜態(tài)整車計(jì)量，臺面整體結(jié)構(gòu)尺寸為9000 mm×3000 mm×400 mm，傳感器數(shù)量為4個(gè)。

(5)材料屬性 汽車電子衡承載架材料為Q235，材料的抗拉強(qiáng)度為375～500 MPa，泊松比為0.3，屈服極限為235 MPa;彈性模量為210 GPa;材料密度為7.85 ×10－6kg/mm3。

3 承載架結(jié)構(gòu)的有限元分析

3.1 靜態(tài)分析

承載架靜力分析的目的，一方面是計(jì)算承載架在最大靜態(tài)工作壓力下承載架各部分的應(yīng)力，以保證所受應(yīng)力不超過材料的極限強(qiáng)度;另一方面，計(jì)算其各部分的變形，保證其變形滿足承載架的變形要求［7］。

(1)變形分析 加載50 t時(shí)最大變形1.66 mm，局部最大變形發(fā)生在承載架中部位置，如圖3所示。加載100 t時(shí)最大變形2.46 mm，整體最大變形發(fā)生在承載架與載重車后輪的接觸面上，如圖4所示。從安全角度出發(fā)，取縱向長度的1/1000作為校核指標(biāo)［4］，即9 mm。兩種工況下最大變形均小于9 mm，滿足承載架變形指標(biāo)要求。

圖3 承載50 t時(shí)位移變形

圖4 承載100 t時(shí)位移變形

(2)應(yīng)力分析 加載50 t時(shí)的最大應(yīng)力為170 MPa，最大應(yīng)力分布在承載架與載重車輪的接觸面上，4個(gè)傳感器位置也出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但沒有超過屈服極限強(qiáng)度235 MPa，如圖5所示。加載100 t時(shí)，承載架最大應(yīng)力分布在載重車輪與承載架相接觸的衡架面上，最大等效應(yīng)力為294 MPa，承載架與載重車后輪接觸位置應(yīng)力最大，4個(gè)傳感器位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，超過屈服極限強(qiáng)度，處于危險(xiǎn)狀態(tài)，如圖6所示。所以，承載瞬間處于極限載荷是允許的，但不能長時(shí)間承受極限載荷，否則會引起承載架和傳感器的破壞。

3.2 模態(tài)分析

當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)的振動頻率在一定條件下與承載架結(jié)構(gòu)的某一固有頻率接近甚至相同，會發(fā)生承載架結(jié)構(gòu)的共振，并產(chǎn)生較高的動應(yīng)力，導(dǎo)致承載架的破壞。共振還會導(dǎo)致承載架結(jié)構(gòu)中部出現(xiàn)較大應(yīng)力幅，產(chǎn)生超出允許范圍的大變形，這嚴(yán)重影響承載架結(jié)構(gòu)的剛度和疲勞強(qiáng)度。因此，防止承載架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振能有效保證汽車衡的稱重性能［7］。承載架結(jié)構(gòu)有限元模態(tài)分析結(jié)果如表1所列。

圖5 承載50 t時(shí)應(yīng)力云圖

圖6 承載100 t時(shí)應(yīng)力云圖

表1 承載架模態(tài)分析結(jié)果

該承載架在前6階模態(tài)振型中全部為承載架的整體振動，模態(tài)頻率分布在0.04～0.16 Hz范圍內(nèi)。汽車的振動頻率隨發(fā)動機(jī)激振，一般貨車固有頻率在8～20 Hz之間［10］。因此，在承載架正常工作時(shí)，對承載架的振動影響較小，避免了整體共振現(xiàn)象。該承載架振型主要表現(xiàn)為彎曲振動、扭曲振動和彎扭組合振動。通常承載架中部振幅較大，承載架兩端振幅較小，當(dāng)受到激勵(lì)較大時(shí)對承載架的正常工作有影響。

4 結(jié)論

對電子汽車衡承載架進(jìn)行靜態(tài)分析，得出承載架在工作載荷下的變形分布云圖和等效應(yīng)力云圖，為改進(jìn)承載架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

由靜態(tài)分析可知，在實(shí)車靜載100 t極限載荷工況下，承載架的最大變形在承載架支撐部位局部應(yīng)力超過了屈服極限，可通過增大支撐面的方法解決，但從安全角度考慮，建議在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)盡量避免超負(fù)荷受載。模態(tài)分析結(jié)果表明，承載架固有頻率分布較均勻，其頻率分布在0.04～0.16 Hz。該系列承載架不會與汽車振動激勵(lì)發(fā)生共振，具有較好的頻率特性。

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