在汽車衡前期開發(fā)中，利用傳統(tǒng)力學(xué)算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在著局限性。因此，應(yīng) 用大型通用有限元分析軟件Hyperworks對產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析，從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)力學(xué)算法的缺陷， 并能直觀地準(zhǔn)確掌握產(chǎn)品應(yīng)力、應(yīng)變的分布規(guī)律，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進(jìn)做到有圖可依。

一、緒論

1.研究目的

隨著市場全球化，企業(yè)間的竟?fàn)幹饕獮楫a(chǎn)品性能和制造成本，這就決定設(shè)計(jì)人員要具有豐富的 專業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新能力來實(shí)現(xiàn)這兩目的。CAE技術(shù)是最近幾十年才開始在我國推廣，它在產(chǎn)品設(shè) 計(jì)創(chuàng)新、縮短開發(fā)周期、降低成本等方面發(fā)揮了巨大作用，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。CAE技術(shù)采 用虛擬分析方法對結(jié)構(gòu)(場)的性能進(jìn)行模擬（仿真)，預(yù)測結(jié)構(gòu)（場）的性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)（場）的設(shè) 計(jì)，及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷，為產(chǎn)品研發(fā)提供指南，為解決實(shí)際工程問題提供依據(jù)。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)或借鑒他人經(jīng)驗(yàn)，其可靠性較低，便對產(chǎn)品進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，生 產(chǎn)物理樣機(jī)。然后對樣機(jī)進(jìn)行針對性的試驗(yàn)測試，若樣機(jī)不能體現(xiàn)期望性能特征，設(shè)計(jì)人員則應(yīng)尋 求設(shè)計(jì)改進(jìn)以彌補(bǔ)這一差異，重復(fù)進(jìn)行“設(shè)計(jì)一建立一測試”這一循環(huán)過程，直到產(chǎn)品的最終設(shè)計(jì)達(dá) 到規(guī)定的技術(shù)要求為止。這種方法的時(shí)間和成本都較難掌控，它們大部份都用在反復(fù)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn) 測試中，但最終的結(jié)果不一定是最佳的方案。而CAE技術(shù)，它替代了試驗(yàn)測試這一環(huán)節(jié)，根據(jù)測 試要求進(jìn)行模擬，從分析結(jié)果中找出不合理的地方反饋給設(shè)計(jì)人員，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)修改，使產(chǎn)品達(dá)到 最優(yōu)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新。它能夠以最短的時(shí)間和最低的成本在計(jì)算機(jī)上完成產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)與 測試。

2.研究內(nèi)容

本項(xiàng)目是以SCS — 3x5/34.5t汽車衡結(jié)構(gòu)件為研宄對象，首先用傳統(tǒng)算法對其強(qiáng)度、剛度進(jìn) 行分析，其次再利用有限元技術(shù)對其強(qiáng)度、剛度進(jìn)行分析并提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。由于汽車衡結(jié) 構(gòu)件較為復(fù)雜，有限元分析軟件Hyperworks對分析產(chǎn)品數(shù)字模型的建立較為困難，我們可以通過 專業(yè)模型構(gòu)建軟件，如UG、Pro-e、CATIA等完成此項(xiàng)工作，輸出igs、step、x_t文件等轉(zhuǎn)換文件在調(diào)入有限元分析軟件Hyperworks，對不關(guān)心部位進(jìn)行處理及簡化后求解。

二、有限元簡介

1.有限元法分析步驟

有限元法分析計(jì)算的思路和做法可歸納如下：

（1）物體離散化

將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為由各種單元組成的計(jì)算模型，這一步稱作單元?jiǎng)澐帧ｋx散后單元與單元 之間利用單元的節(jié)點(diǎn)相互連接起來；單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問題的性質(zhì)，描述變形形 態(tài)的需要和計(jì)算進(jìn)度而定（一般情況單元?jiǎng)澐衷郊?xì)則描述變形情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但 計(jì)算量越大）。所以有限元中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有的物體或結(jié)構(gòu)物，而是同新材料的由眾多單元 以一定方式連接成的離散物體。這樣，用有限元分析計(jì)算所獲得的結(jié)果只是近似的。如果劃分單元 數(shù)目非常多而又合理，則所獲得的結(jié)果就與實(shí)際情況相符合。

（2）單元特性分析

A.選擇位移模式

在有限單元法中，選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為位移法；選擇節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量時(shí) 稱為力法；取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為混合法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算 自動化，所以，在有限單元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。

當(dāng)采用位移法時(shí)，物體或結(jié)構(gòu)物離散化之后，就可把單元總的一些物理量，如位移、應(yīng)變和應(yīng) 力等由節(jié)點(diǎn)位移來表示。這時(shí)可以對單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描 述。通常，有限元法我們就將位移表示為坐標(biāo)變量的簡單函數(shù)。

B.分析單元的力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移 的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時(shí)需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來建立力 和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃嚕@是有限元法的基本步驟之一。

C.計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力

物體離散化后，假定力是通過節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元傳遞到另一個(gè)單元。但是，對于實(shí)際的連續(xù)體， 力是從單元的公共邊傳遞到另一個(gè)單元中去的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力和 集中力都需要等效地移到節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來代替所有作用在單元上的力。

(3)單元組集

利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原來的結(jié)構(gòu)重新連接起來，形成整體的有限元方程。

(4)求解未知節(jié)點(diǎn)位移

解有限元方程式得出位移。這里，可以根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)來選擇合適的計(jì)算方法。

通過上述分析，可以看出，有限單元法的基本思想是“一分一合”，分是為了進(jìn)行單元分析，合則為了對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。

三、汽車衡簡介及傳統(tǒng)計(jì)算方法

1.汽車衡的發(fā)展

汽車衡也被稱為地磅，英文為：truck scale。是廠礦、商家等用于大宗貨物計(jì)量的主要稱重設(shè) 備。在二十世紀(jì)80年代之前常見的汽車衡一般是利用杠桿原理純機(jī)械構(gòu)造的機(jī)械式汽車衡，也稱 作機(jī)械地磅。二十世紀(jì)80年代中期，隨著高精度 稱重傳感器技術(shù)的日趨成熟，機(jī)械式地磅逐漸被 精度高、穩(wěn)定性好、操作方便的電子汽車衡所取代。

隨著時(shí)代的變迀，不同時(shí)代的產(chǎn)品應(yīng)滿足不同時(shí)代的使用要求。汽車衡秤臺結(jié)構(gòu)的發(fā)展可分為 以下幾個(gè)階段：第一代的秤臺是由兩根工字鋼主梁、串杠橫梁而組成的大梁式主梁結(jié)構(gòu)，多屬杠桿 機(jī)械秤或機(jī)電結(jié)合秤。這種結(jié)構(gòu)制造簡單，但材料利用率低，材料費(fèi)用高。后逐步改進(jìn)為第二代由 鋼板主梁、橫梁組焊的箱式主梁結(jié)構(gòu)秤臺，逐步發(fā)展到了以稱重傳感器為主的全電子汽車衡。鋼板 組焊的箱式主梁結(jié)構(gòu)秤臺其結(jié)構(gòu)合理，但制造費(fèi)工、費(fèi)時(shí)。發(fā)展到了第三代由型鋼主梁、橫梁組焊 的箱式主梁結(jié)構(gòu)秤臺，其制造簡單，但組焊費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，材料利用率不高。到了第四代，有了改變， 是由U型截面主梁組焊的箱式主梁結(jié)構(gòu)秤臺，其組焊方便，整體結(jié)構(gòu)好，工藝性能好，材料利用率 高，但必須有專門的組焊機(jī)工藝制造設(shè)備。

其第四代電子汽車衡秤臺結(jié)構(gòu)采用U形截面的冷彎型鋼組焊，整體鋼度、抗扭性能及臺面的局 部剛度都有很大的改進(jìn)，秤臺設(shè)計(jì)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，可以自由組成多種規(guī)格等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)以 本型號汽車衡秤臺結(jié)構(gòu)為研宄對象進(jìn)行分析。

2.SCS-3x5/34.5t電子汽車衡秤臺結(jié)構(gòu)

根據(jù)國內(nèi)外一般商用車車型的輪距、軸距和本汽車衡行業(yè)常用規(guī)范，SCS汽車衡的單節(jié)長 度一般在4m和5m，寬度在3m、3.2m、3.4m，稱重范圍30t?200t。現(xiàn)以SCS-3X5/34.5t (寬3m， 長5m)單節(jié)秤為研宄對象，即臺面尺寸為5000mmX3000mmX10mm，秤體縱梁為六根4mm厚 Q235鋼板冷彎成U型梁排列而成，兩端橫梁采用槽鋼，四個(gè)角采用模塊化的承載器（其中托板為 35號鋼）拼焊成形如下圖3-1所示。

3.SCS-3x5/34.5t汽車衡受力原理

以某商用車公司的自卸車6x4為例進(jìn)行分析，由力學(xué)原理可知，汽車的總重量（自重和貨重) 等于各個(gè)輪對的壓力總和，即F=G1+G2+G3，如下圖3-2所示：

根據(jù)該商用車公司提供：本車型總重量34.5t下各后橋質(zhì)量為G1=G2=14t，G3=6.5t，當(dāng)滿載時(shí)， 單個(gè)輪胎與地面的接觸面積為250mmx250mm。

根據(jù)實(shí)際情況，SCS-3x5/34.5t汽車衡最為嚴(yán)酷的情形是雙后橋壓在汽車衡中心軸線對稱位 置處。

4.傳統(tǒng)算法介紹：

(1)力學(xué)簡化模型

在實(shí)際使用中稱臺四個(gè)角分別安裝有一個(gè)橋式數(shù)字傳感器，為了計(jì)算方便，往往以簡支梁的形 式作為力學(xué)模型進(jìn)行剛度和強(qiáng)度計(jì)算，單節(jié)SCS-3x5/34.5t電子汽車衡由于長度有限，汽車的前軸 不可能壓在單個(gè)秤臺面上，所以經(jīng)簡化后的模型如下圖3-3所示：

(2)剛度計(jì)算

A.剛度計(jì)算相關(guān)公式

根據(jù)以上力學(xué)簡化模型和相關(guān)力學(xué)知識，可斷定SCS-3x5/34.5t電子汽車衡最大撓度公式為:

由于梁跨度較大，主要校核指標(biāo)為剛度，因此剛度指標(biāo)取代強(qiáng)度指標(biāo)。在剛度指標(biāo)滿足的情況 下，強(qiáng)度指標(biāo)基本上也能滿足要求。

C.模型剛度結(jié)果計(jì)算

由以上介紹可知，后單橋14t由4個(gè)輪胎承擔(dān)，即每個(gè)輪胎受力14t/4=3.5t。根據(jù)秤體的縱梁分 布規(guī)則，可認(rèn)為單根梁承受大約三個(gè)輪胎傳來的壓力。

由計(jì)算結(jié)果可知，此種結(jié)構(gòu)梁無論是剛度還是強(qiáng)度都不能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，現(xiàn)我們可以通過增加 梁的慣性矩Iy1和改用更強(qiáng)的材料來實(shí)現(xiàn)這一目的，這就必然增加材料的用量和費(fèi)用。在不更換材料 的情況下，可加封底板來提升慣性矩Iy1。

四、汽車衡的有限元算法

上一節(jié)介紹了汽車衡的傳統(tǒng)算法，該算法并沒有考慮面板、橫向梁等橫向連接的影響，較難反 應(yīng)實(shí)際的情況。本節(jié)運(yùn)用有限元軟件Hyperworks進(jìn)行求解及查看結(jié)果。

1.模型的建立

由于本有限元分析軟件側(cè)重于力學(xué)分析，對數(shù)模的建立并不是強(qiáng)項(xiàng)。我們可以通過專業(yè)建模軟 件Pro-e、UG、CATIA等對分析產(chǎn)品進(jìn)行建模，并輸出igs、step、x_t文件，然后調(diào)入Hypermesh 進(jìn)行前處理、Radioss進(jìn)行求解、HyperView進(jìn)行后處理。

(1)模型的處理

A.單元的選取

由上節(jié)提到，此模型由板材與型材焊接而成。根據(jù)有限元理論，該模型板材形狀可用殼單元定 義，槽鋼用實(shí)體單元定義，這樣為后繼的計(jì)算節(jié)省大量時(shí)間。

從模型大小、復(fù)雜程度及分析精度考慮，殼單元用高階四邊形單元，尺寸劃分為10mm；實(shí)體 單元用高階四面體單元，尺寸劃分為8mm。

B.焊接問題

焊接方法在Hypermesh中有多種方式模擬，常用的有acm及cweld等，它不像其它分析軟件那 樣，在劃分網(wǎng)格時(shí)控制兩零件的對應(yīng)焊接網(wǎng)格尺寸。本文選用cweld，它需定義焊接間距及焊點(diǎn)大 小，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)焊接間距及焊點(diǎn)大小，可任意模擬兩零件是滿焊還是間隙焊等焊接方式。

C.材料選擇

本汽車衡行業(yè)，所用的材料主要是Q235鋼材，其優(yōu)良的焊接性、耐腐蝕性、韌性等優(yōu)點(diǎn)被用 于工程結(jié)構(gòu)。

材料參數(shù)：

彈性模量E=210Gpa 泊松比 ^=0.3 密度 p=7.85e-9t/mm3 

D.約束

在實(shí)際使用中稱臺四個(gè)角分別安裝有一個(gè)橋式數(shù)字傳感器，每個(gè)傳感器由四個(gè)螺栓連接到傳感器 支承鐵上，并由限位器進(jìn)行水平方向的限位（即縱向?yàn)?/span>X，橫向?yàn)?/span>Y)。在建立約束條件時(shí)，把限位 器與秤體接觸的部份進(jìn)行Ux,Uy方向限制，傳感器與托板接觸的部份（見下圖）進(jìn)行Uz方向限制。

E.載荷的處理

選用雙后橋壓在汽車衡中心線對稱位置處時(shí)的情形為研宄對象。與輪胎接觸的秤臺面為受力 面，如果對該區(qū)域節(jié)點(diǎn)加載集中力，會造成應(yīng)力集中，現(xiàn)加載面力，能解決應(yīng)力集中問題，并能很 好的反應(yīng)力與秤臺面的垂直關(guān)系，如下圖為秤臺載荷面。

3.秤體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)秤體最大位移變形云圖4-4和梁最大等效應(yīng)力云圖4-6可知，變形量和等效應(yīng)力主要集中 出現(xiàn)在單根受壓梁（邊上第二根）上，附近的梁并沒起到過多的作用，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在設(shè)計(jì)缺陷， 如何優(yōu)化秤體的關(guān)鍵就在于如何優(yōu)化此部位減少部位的應(yīng)力和變形，增強(qiáng)其受力能力。其秤體的改 進(jìn)方法如下：

（1）可采用更高強(qiáng)度的材料，但可能成本上升較大；

（2）增加托板的接觸面積；

（3）增加橫向連接板、加封底板。

其模型優(yōu)化后的結(jié)果：

可從云圖4-8、圖4-9中得知：秤體的最大位移變形量降到5.9mm，達(dá)到剛度指標(biāo)[Dz]；梁最 大等效應(yīng)力降到160Mpa，縱向中心處的最大等效應(yīng)力降到95Mpa。從整體趨勢來看，變形整體區(qū) 域大值而小，梁等效應(yīng)力分布均勻，此種結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果是滿意的。

五、總結(jié)與展望

1.總結(jié)

本文以重慶某公司產(chǎn)品為研宄對象，運(yùn)用兩種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對比分析，其完成以下主要工作：

（1）首先確定秤體的工作工況，這直接關(guān)系到秤體的設(shè)計(jì)結(jié)果是否正確；

（2）運(yùn)用三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD)軟件UG對秤體結(jié)構(gòu)造型，為后續(xù)的有限元模型提供 精確的數(shù)字模型。

（3）利用大型有限元分析軟件HyperWorks對模型進(jìn)行前處理、求解、后處理。由于它具有強(qiáng) 大的有限元網(wǎng)格劃分、模型連接前處理功能和后處理功能，對于模型結(jié)構(gòu)小改動，并不需要重新對 模型進(jìn)行處理，如上分析中增加橫向連接板、底板時(shí)，只要增加所需零件，并運(yùn)用焊接單元cweld 進(jìn)行連接。這大大提高了我們的工作效率，并能快速地對模型進(jìn)行局部修改和驗(yàn)證。

兩種算法得出的結(jié)果差異較大，在傳統(tǒng)算法中壓力P的考慮可能過于安全，同時(shí)它沒有考慮橫 向連接板和面板橫向方向連接的影響；運(yùn)用有限元分析軟件HyperWorks進(jìn)行分析，可比較直觀地 查看它們的結(jié)果，針對較弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，較真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際情況。

2.展望

此種工況為靜壓秤體，主要考慮梁的強(qiáng)度、剛度，由于篇幅有限，本文并沒有考慮貨車在其它 工況下對秤體的影響，如汽車在秤體上加速起動及汽車壓在傳感部件上等工況。接下來的工作是對 這些問題進(jìn)一步研宄分析，通過試驗(yàn)收集整體各種嚴(yán)酷工況，為后續(xù)分析作鋪墊，做到汽車衡結(jié)構(gòu) 的真正創(chuàng)新。