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SCS系列多台面模块化地磅秤台的有限元分析

时间:2018-01-20 10:41 来源:http://www.shslcz.com 点击数:

传统的地磅台面结构和刚度分析方法是把地磅秤台简化成一简支梁,因其模型过于简化,存在计算结果可 靠性差、无法进行局部应力及应变分析等缺点。本文利用 ANSYS有限元分析软件,对SCS系列地磅秤台进行分析。 在实体建模的基础上对刚度进行校核,重点对地磅超载 时进行极限承载校核,得出超载时强度指标也应成为主要 校核指标的结论,并给出合理的改进建议,为地磅的设计 与生产提供有价值的参考。

引言

近年来,作为大型称重计量设备的地磅越来越广泛地应 用于工矿企业、交通运输、港口、仓库等各个部门。随着经济的发 展,运输车辆类型不断增多,装载能力不断提高,这就对地磅的承载能力提出了更高的要求。

传统的地磅台面结构和刚度分析方法是把地磅简化成 一简支梁,这种简化方法计算简单,在地磅行业的设计和校核 计算中曾广泛采用,但这种建模方法也正是因为模型过于简化 而导致最终结果的不可靠。随着计算机技术的日益发展和广泛 应用,有限元分析方法逐渐成为结构力学分析中强有力的工具。

著名的ANSYS软件是目前广泛应用的大型的以有限元分 析为基础的CAE软件。利用ANSYS建立SCS系列地磅秤台中节的三维实体模型,以期在更加符合实际条件的模型基础上 对秤台的刚度和强度进行精确校核,并提出合理的改进建议。

1.秤台结构尺寸、校核指标及受载状况

1.1 SCS-50系列地磅秤台结构分析 为制造加工、运输及安装方便,SCS-50系列汽车衡秤台采 用三台面搭接结构,利用中节上的托板和两边端节上的搭板搭 接在一起。其主要技术参数为:

1称量重量:50t

2称量方式:静态整车计量。

3台面总体结构尺寸:15mx3mx0.3m

4传感器数量:8只。

其中,SCS-50系列地磅中节由纵向6根槽钢、横向2 槽钢,上下焊接钢板,槽钢间均布筋板形成箱型结构。中节的总 体尺寸为5mx3mx0.3m结构示意图如图1所示。

001.jpg

1.2校核指标

生产实践中,地磅是以刚度指标作为重要设计依据的。当 车辆满载过秤台时,以后轮行至秤台纵向中间位置时产生的秤 台弯曲变形最大,此时载荷为最大,秤台结构必须满足此时的刚 度要求。按地磅秤台技术要求,秤台承受额定载荷时的允许最 大弯曲变形不得超过秤台纵向长度的1/800至1/1000,从安全 角度出发,我们取纵向长度的1/1000作为校核指标,即5mm

1.3 加载

随着运输车辆类型的增多,装载能力的提高,地磅原有用 户希望已安装的地磅能在特殊情况下偶尔过载承重,前提当 然是保证安全。本文先对额定承载50t时进行常规校核,然后, 应用户的特殊要求,考虑到原有地磅秤台具有一定的安全系 数,对极限承载100t进行校核分析。分别按以下尺寸简化模型:

(1)承重50t时受载状况

双后桥载重车轮距1.8米,轴距1.2米,单个轮胎着地宽度 0.3米,纵向着地长度0.4米,每侧一般为两个轮胎。加载位置如 a)涂黑所示:

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(2)承重100t时受载状况

重型载重车辆一般为四后桥结构,其它建模尺寸不变,加载 位置如图b)所示:

2.秤台有限元模型建立

2.1实体建模及网格划分

ANSYS提供了两种生成模型的方法:实体建模和直接生成 模型。由于实体建模相对处理的数据较少,便于几何改进和单元 类型的变化,这也便于下一步的优化设计。对于庞大或复杂的模 型,尤其是三维实体模型更加适合,所以对于汽车衡秤台的刚度 校核我们采用实体建模。

整个秤台除支撑铁是35号钢以外,其余材料都是Q235,所 以选定弹性模量为2*1011,泊松比为0.27。最初计划定义单元 类型为20节点的6面体单元S0LID95考虑到上下盖板形状规 则,为保证其单元形状为6面体,盖板用扫掠网格划分 SWEEP)或映射网格划分MAPPED)但由于盖板与槽钢及筋 板焊接处情况较复杂且厚薄不一,各部分逐个进行网格划分效 率低下,且容易出错,最终采用自由网格划分。而采用自由网格 划分会导致6面体单元S0LID95退化为4面体单元,故最终采 10节点的4面体单元S0LID92自由网格划分时其Smart- sizing 选定10级,单兀尺寸Size定为0.2。

2.2加载及约束处理

因秤台面为一大平面,如何按实际情况在车轮处准确加载 面力是关键。如直接选平面加载,计算机会选择整个平面,显然 不符合实际,因承载面过大无法反映受载时的恶劣情况。如在车 轮位置处选节点承受面力,结果是有限的点去承受整个载荷,结 果难免造成应力集中。在车轮位置处选单元承载,无法只选择其 上表面。为了使加载更加符合实际情况,笔者考虑在车轮处设计 出加载面。设计加载面时注意一个技巧性问题,如直接用面与面 粘接,选择加载面加载求解时会出现所选的面未划分网格无法 传递载荷的警告。出现这种情况是因为单纯面与面粘接加n载面 被视为无质量无体积的理想平面,当然无法传递载荷。考虑到体 与体粘接时会产生共享面,我们试着用底面积与加载面相同的 正方体与秤台上盖粘接,然后删除正方体,果然得到了可传递载 荷的加载面。汽车衡秤台实际工作时,由限位器进行水平方向限 位。建立约束条件时,把限位器简化为两侧面限位约束,即秤台 侧面进行uxuz限制,传感器支撑处进行竖直方向约束,即进 UY限制。这样建立的约束条件,对计算结果的相对位移及应 力都没有影响。

3.求解

由于模型尺寸较大,节点及单元数多,对上述公式求解时不 能采用缺省默认的直接解法。考虑到自动迭代法ITER)适合线 性静态分析,而且会在雅可比共辄梯度法ICG)或条件共辄梯 度法PCG)等解法中自动选择一种合适的迭代法,故最终采用 自动迭代法,精度水平选定1级,相当于公差1.0x10、并选择了 条件共辄梯度法。

4.后处理结果分析及改进

1)变形结果分析

加载50t时最大变形2.8mm最大等效应力298MP;加载 100=时最大变形3.5mm发生在车轮与秤台面接触处,属于局部 变形,如图3 ;)所示。整体最大变形发生在秤台纵向中间位置 处,变形小于最大变形,如图3 E)所示。最大变形均小于5mm 所以刚度指标均满足要求。

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2)应力结果分析 最大等效应力333.6MP;还有一节点处320.6MP;这两点 均在承重铁处,都超过了 35号钢的屈服极限315MP;最大等效 应力位置图及放大图分别如图4 ;)、E)所示。

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从数值上看刚度条件均满足要求,但加载100t时有两点超 过屈服极限强度。如果仍然按惯例仅去校核刚度指标,势必会得 出依然安全的错误结论。为什么会产生这样的结果呢?从受载示 意图上可以看出,承重100t时,车轮增多,承载面积增大,承载 面均匀分布在整个秤台面上。在这种情况下,强度指标理应取代 刚度指标,成为主要校核指标。

3)改进与建议

根据以上分析,特殊情况下为解决超负荷受载问题,从理论 上讲可以考虑提高承重铁与传感器的接触面积。但是,考虑到更 换传感器的可操作性、最终测量值的可靠性以及从最主要的安 全角度考虑,建议在实际使用时应尽量避免超负荷受载。

5.结束语

本文最初按惯例只是校核其刚度指标,刚度指标符合要求 的情况下,意外发现100吨极限承重时在承重铁处超过屈服极 限强度。相对传统分析方法,体现了有限元法的优势所在。

用有限元法对地磅秤台结构进行刚度、强度校核分析,其 结果比传统的简化为简支梁法更准确、可靠,且可以获得传统方 法难以分析的局部区域应力分布及变形,如车轮与秤台接触处、 承重铁与传感器支撑处,而这些区域往往又是危险部位。有限元 分析结果为大型秤台设计提供了有价值的参考,取得了令人满 意的结果。

进一步的研究工作主要是应用ANSYS提供的优化功能等 对秤台的总体结构、承重铁与传感器结合面等做深入的研究;而 动态称重时,秤台的结构设计与优化也将成为一个重要的研究方向。