SCS-100T U 型汽車衡秤體結(jié)構(gòu)優(yōu)化
針對(duì)目前汽車衡秤體結(jié)構(gòu)材料利用率低、質(zhì)量大的問題,將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法引入到秤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。以 U 型梁和秤臺(tái)的幾何尺寸為設(shè)計(jì)變量,秤體的最大撓度為約束條件,秤體整體質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù),利用參數(shù)化 APDL 語(yǔ)言建立了秤體結(jié)構(gòu)的有限元優(yōu)化模型,對(duì)秤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析,從而確定了 U 型梁和秤臺(tái)的幾何尺寸。研究結(jié)果表明,在滿足秤體剛度和強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的前提下,秤體結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的質(zhì)量比原來(lái)的降低了 6. 7% ,實(shí)現(xiàn)了降低秤體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的目的,提高了材料利用率。
0.引言
隨著汽車衡器不斷的發(fā)展,其秤體結(jié)構(gòu)也不斷地推陳出新。在經(jīng)歷了幾代變革之后,U 型汽車衡已經(jīng)成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。然而,國(guó)內(nèi)很多企業(yè)在進(jìn)行秤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中仍處于簡(jiǎn)單模仿國(guó)外產(chǎn)品,憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)或是簡(jiǎn)單的理論計(jì)算,導(dǎo)致秤體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過于安全,剛度過大,結(jié)構(gòu)偏重,材料利用率不高,制造成本偏高。
近年來(lái)有一部分科研工作者在 U 型梁秤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做了一些研究。將秤體簡(jiǎn)化為一簡(jiǎn)支梁,從理論上對(duì) U 型梁的秤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力通過對(duì)不同秤體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行理論計(jì)算及比較分析,認(rèn)為 U 型結(jié)構(gòu)的秤體具有性能好、重量輕的特點(diǎn); Taowei Shi 等利用有限元法對(duì)SCS 系列 120 t 汽車衡秤體結(jié)構(gòu)中單個(gè)秤體在不同加載方式下的變形情況進(jìn)行了研究。
本研究利用有限元及優(yōu)化理論,以某公司生產(chǎn)的SCS-100T U 型梁汽車衡秤體結(jié)構(gòu)為原型,采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件,建立整體秤體結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行優(yōu)化分析,在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下實(shí)現(xiàn)秤體結(jié)構(gòu)的輕量化,對(duì)汽車衡秤體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)具有參考價(jià)值。
1.秤體結(jié)構(gòu)
SCS-100T U 型梁汽車衡秤體結(jié)構(gòu)的原始參數(shù)來(lái)自某公司生產(chǎn)的汽車衡,該汽車衡由 3 個(gè)秤體組成,整體結(jié)構(gòu)尺寸為 16m(長(zhǎng)) × 3 m ( 寬 ) × 0. 362 m( 高) ,最大秤量重量為 100 t,秤量方式為靜態(tài)整車秤量。
3 個(gè)秤體 U 型梁的分布情況均相同,如圖 1( b) 所示。每個(gè)秤體都有 6 根 U 型梁,左右對(duì)秤分布,整個(gè)秤體由 8 個(gè)傳感器支撐,3 個(gè)秤體之間通過連接銷搭接在一起,3 個(gè)秤體之間互相作用,為了使研究的問題更符合實(shí)際,本研究以整個(gè)秤體為研究對(duì)象。秤體與更符合實(shí)際,本研究以整個(gè)秤體為研究對(duì)象。秤體與秤體之間還有一些蓋板,吊裝件以及裝飾件,因?qū)ρ芯繂栴}影響很小,筆者去掉這些零部件,簡(jiǎn)化之后秤體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。
2. 秤體結(jié)構(gòu)優(yōu)化
2. 1 秤體結(jié)構(gòu)有限元模型
整個(gè)秤體結(jié)構(gòu)材料均采用 Q235 鋼,其屈服極限為 235 MPa,彈性模量為 206 GPa,泊松比為 0. 3,密度為 7 850 kg / m3 。根據(jù)汽車衡秤體結(jié)構(gòu)原始數(shù)據(jù),本研究利用參數(shù)化 APDL語(yǔ)言建立其有限元模型。在劃分網(wǎng)格時(shí),考慮到秤臺(tái)和 U 型梁厚度尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其縱向尺寸,如果采用實(shí)體單元,則需要畫得非常細(xì),網(wǎng)格數(shù)量就會(huì)增加很多,造成計(jì)算資源浪費(fèi),而采用殼單元既可滿足分析問題的要求,又能減少計(jì)算量,故本研究采用殼單元 SHELL63對(duì)秤臺(tái)和 U 型梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分,秤體的其余部分均采用實(shí)體單元 SOLID185 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。U 型梁、支承座與端梁板的連接處采用MPC 接觸算法對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合。
汽車衡器的秤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以剛度作為主要的校核指標(biāo),一般秤體剛度在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下強(qiáng)度也能滿足要求,根據(jù) GB / T 7723-2008《固定式電子汽車衡》關(guān)于大型衡器的承載器最大相對(duì)變形量的規(guī)定,對(duì)于最大秤量為 100 t 的衡器,須用 40 t 的載荷在承載器中間 2. 6 m 寬的區(qū)域加載檢測(cè),衡器承載器的最大相對(duì)變形在新安裝后的首次檢定必須小于 L /800 ,則每個(gè)秤體的撓度不能超過 D = ( 1 /3) × ( L /800) = 6. 67 ×10 - 3 m。秤體檢測(cè)的加載方式如圖 2( 陰影區(qū)域) 所示。
本研究選取每個(gè)秤體秤臺(tái)中間 3 m × 2. 6 m 區(qū)域內(nèi)的單元,將 40 t 的砝碼載荷轉(zhuǎn)化成壓力加載到選取的單元面上,即 p = 40 × 104 / ( 3 000 × 2 600) ≈0. 051 3。考慮到支承秤體德傳感器固定在地面上,而秤體在承受載荷變形時(shí)支承座與傳感器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),故取 8個(gè)支承座與傳感器間的接觸處中的一處施加 UX 、UY 、UZ3 個(gè)方向的約束,其余 7 處只施加 UZ 方向的約束。
2. 2 秤體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型
在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)太多的設(shè)計(jì)變量會(huì)使得計(jì)算收斂于局部最小值的可能性增大,同時(shí)越多的設(shè)計(jì)變量需要越多的迭代次數(shù),從而需要更多的機(jī)時(shí)。為了盡量使用較少的設(shè)計(jì)變量,本研究首先按照表 1 中兩種不同 U 型梁布置方案改變的秤體結(jié)構(gòu)模型參數(shù),進(jìn)行有限元分析,兩個(gè)方案秤體結(jié)構(gòu)的最大撓度和秤體重量如表 1 所示。
從表 1 中可以看出,雖然方案 2 秤體結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量比方案 1 的有所下降,但是下降得不多。考慮到實(shí)際工況下大噸位的載重車的輪間距較大,因此本研究選擇方案 1 作為下面進(jìn)一步優(yōu)化的結(jié)構(gòu)模型,即3 個(gè)秤體的 U 型梁全部按照一種尺寸大小進(jìn)行布置,梁與梁之間的水平距離保持不變。
秤臺(tái)和 U 型梁作為汽車衡秤體結(jié)構(gòu)的主要組成部分,汽車衡的重量主要集中在這兩部分上,因此在保持秤體結(jié)構(gòu)本身的形狀不變的情況下,改變上蓋板和U 型梁的尺寸,即以上蓋板厚度 T1 、U 型梁開口角度θ、高度 H、底部寬度 B 及其厚度 T2 為設(shè)計(jì)變量,秤體最大撓度 DISP≤6. 6 mm 為約束條件,秤體結(jié)構(gòu)總重量 WT 為目標(biāo)函數(shù),在滿足秤體結(jié)構(gòu)剛度要求的情況下使秤體結(jié)構(gòu)總重量最輕。秤體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型表述為:
min WT( x) ,x > 0 (1)
s. t g( x) = DISP - 6. 6≤0,x > 0 (2)
式中: WT( x) —目標(biāo)函數(shù); x—設(shè)計(jì)變量,x = ( θ,T1 ,T2 ,H,B) ; g( x) —約束函數(shù)。
3.秤體結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果分析
3. 1 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果
通過分析計(jì)算,優(yōu)化結(jié)果如表 2 所示。從表 2 中可以看出,* SET12* 是最佳優(yōu)化系列。其優(yōu)化結(jié)果為U 型梁角度 θ = 95. 036°,U 型梁厚度 T1 = 6. 265 mm,U型梁高度 H = 336. 680 mm,U 型梁槽底寬 B = 231. 420 mm,上蓋板厚度 T2 = 9. 321 mm,秤體的最大位移 UZ = 6. 595 mm < 6. 6 mm,符合設(shè)計(jì)要求,這時(shí)的秤體結(jié)構(gòu)總重量 WT = 8. 363 t。
3. 2 優(yōu)化方案與初始方案比較分析
優(yōu)化前、后秤體結(jié)構(gòu)參數(shù)比較如表 3 所示。從表3 中可以看出,優(yōu)化后新秤體結(jié)構(gòu)的總重比原秤體結(jié)構(gòu)降低 6. 7% ,材料用量的減少主要來(lái)自上蓋板厚度的減少。本研究對(duì)優(yōu)化的方案進(jìn)行有限元分析,以驗(yàn)證新的秤體結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度是否符合設(shè)計(jì)要求,優(yōu)化前后的秤體結(jié)構(gòu)位移 UZ 分布云圖如圖 3 所示。從圖 3 中可以看出最大位移 UZ 均發(fā)生在秤體中部,優(yōu)化后的最大位移 UZ 值增加了 0. 15 mm,但小于設(shè)計(jì)允許的最大值 6. 6 mm,滿足剛度要求。優(yōu)化前后秤體的Von Mises 等效應(yīng)力分布云圖如圖 4 所示。從圖 4 中可知,優(yōu)化前、后秤體的秤臺(tái)和 U 型梁的最大 Von Mises等效應(yīng)力均發(fā)生在第 2 個(gè)秤體的 U 型梁左端與端梁板的連接處,分別為 118. 46 MPa 和 123. 403 MPa,優(yōu)化后較優(yōu)化前有所增大,但都小于材料的屈服強(qiáng)度,滿足強(qiáng)度要求。
4.結(jié)束語(yǔ)
本研究以某公司生產(chǎn)的汽車衡秤體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),利用參數(shù)化 APDL 語(yǔ)言建立了秤體結(jié)構(gòu)的有限元優(yōu)化模型。以汽車衡秤體結(jié)構(gòu)質(zhì)量最小為目標(biāo),剛度為約束條件,U 型梁的厚度、開口角度、高度以及秤臺(tái)的厚度為設(shè)計(jì)變量,對(duì)秤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析,優(yōu)化結(jié)果給出的汽車衡秤體結(jié)構(gòu),材料利用率提高,輕量化效果顯著。并與原秤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能對(duì)比分析,研究結(jié)果表明,優(yōu)化的結(jié)果是可行的。