CN103123277A - 一种电子汽车衡秤台结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子汽车衡秤台结构，台面尺寸为3000mm×4000mm，其中秤台面板厚度h₃=8mm，U型梁高度h₂=300mm，U型梁厚度h₁=5mm，U型梁底部宽度a=126mm，U型梁开口角度x=105°，U型梁间距lj=209mm。本称台结构经过有限元分析，符合强度和刚求要求。该秤台的质量为1691.5Kg，优化前秤台质量为1982.2Kg，与原秤台质量相比降低了14.7%，这种汽车衡秤台结构使得材料合理利用、重量减轻、成本降低，从而提高产品的市场竞争力。

Description

一种电子汽车衡秤台结构

技术领域

   本发明涉及一种电子汽车衡秤台结构，特别是一种能使汽车衡秤台结构参数优化、材料合理利用、重量减轻、成本降低、从而提高产品的市场竞争力的结构。 

背景技术

汽车衡也称地磅，是用于大宗货物计量的主要秤重设备。它被广泛地应用于港口、仓储、工矿企业、交通运输等各个部门。近年来，随着运输车辆的类型不断增多，装载能力的不断提高，对汽车衡的承载能力提出了更高的要求，而汽车衡秤台是承载货物的主要设备，因此秤台结构的设计尤为重要。 

电子汽车衡秤台的台面有整体式和拼接式两种。整体台面的秤台较短，一般在12米以内，主要用于承载单车的载重。拼接式秤台可以做的很长，主要用于承载主车和挂车一起的载重。 

整体式秤台一般有四个支撑点，拼接式秤台有多个支承点，可将两个或两个以上（不多于五个）整体式秤台拼接起来，其间为活络连接，或者将一秤台的台面的一端置于两个支承点上，而另一端则搭接在一整体式秤台上，但是，各个秤台上还是四个支承点。 

电子汽车衡结构的发展是随着经济的发展以及运输部门的需求增加而不断向前发展的。从初期到现在，电子汽车衡的秤台结构可以分为框型结构和箱型结构两大类型。框型结构秤台由主梁、联系梁、面板等构成，多属于杠杠机械秤或机电结合秤。这种型式的秤台结构是由各大部件组装而成，各部件体积和自重相对较小，在生产和运输过程中便于搬运。构成框型结构秤台是两根大梁和联系梁，它们的截面是工字型的，这样，只要能满足承载能力的要求，就可以直接轧制工字型钢做梁。因此制造简单，生产效率高，占地面积小。但是材料利用率低，费用高，梁的高度也受到限制，秤台的刚度就不足。箱型结构秤台可以看成是一个整体结构，从横截面看，有全封闭型腔和半封闭型腔，组成箱体的材料可以板材组合，也可以是板材和型钢组合。它的零部件相对框型结构大为减少，生产的工时较短。箱型结构秤台的外形尺寸较大，所需要的设备相应就大。由于箱型结构采用了薄板结构，所以需要配置剪板和折弯板设备以降低劳动强度、提高生产效率和产品质量 

从承受载荷情况来看，箱型结构式最理想的结构型式。原因是箱型结构能够按使用要求和受力要求合理的分配材料。箱型结构秤台的面板和腹板等几乎所有的构件都参与了受力。而框型结构的秤台，只有大梁和联系梁承受汽车的重力，面板只是用来传递汽车重量

箱型结构型式的秤台有钢板组合式、型钢组合式以及U型截面组合式。下面将箱型的几种型式与框型的结构秤台进行比较。如图4所示。

目前，使用最广泛的是U型结构，这种结构来源于大型钢桥结构。现代大跨度的斜拉桥、悬索桥大多采用这种“U”型梁形式的钢箱梁作为承载主梁，这种结构型式是德国工程师在20世纪50年代发明的。大体结构如附图1所示，它有多根U型梁（3），上面焊接一块钢板（面板）（1），U型梁之间焊接筋板（2），搭头板（4）等。它具有以下优点： 

①　横截面由面板和若干U型梁组成，不用封底板，两端封一端板即可，其抗弯刚度和扭转刚度较高。

②　U型梁两侧立板是承受主梁，选用6到7根U型梁，U型梁之间间距小，面板的局部承载能力大大提高，因此，在主梁之间不设横向筋板，制造工艺上大为简便，可以用自动焊接机焊接，焊缝均匀连续，强度高，工作效率高。 

③　相对以上结构，材料节省很多。 

④　U型梁与面板、横向布置的端板组焊自一起，全部采用连续焊缝，使整个构件连为一体，大大的提高构件的刚度和强度。 

目前在生产电子汽车衡的企业中，多数生产企业大多凭经验设计，很多设计要素如秤台面板厚度、U型梁底部宽度、U型梁开口角度、U型梁高度、U型梁厚度、U型梁间距等没有经过严格的计算和校核，很难合理利用材料。 

本发明就是运用大型通用软件针对某公司产品进行有限元分析及结构参数优化设计，从而优化产品的结构，可以提高产品的市场竞争力。通常的设计思想是对设计的方案进行多次修改、计算。工作量很大，而且效果不是很好，利用先进的CAD/CAE技术，采用APDL语言建立汽车衡秤台结构的数学模型，再调用CAE优化设计模块，设定目标函数、设计变量、状态变量，最后通过计算机的自行运算可以得出U型结构秤台尺寸的最优组合，从而得出一种最优的结构。 

发明内容

根据背景技术所述，要对电子汽车衡称台结构进行优化，可以将结构优化问题抽象为数学问题，即建立数学模型。数学模型所要研究的问题包含设计变量、约束条件（状态变量）、目标函数这三个方面的内容。结构优化设计的一般数学模型表达式为： 

在进行实际机械优化设计问题时，我们只考虑机构的主要受力或承载零部件。对于电子汽车衡秤台，它的主要承载部件是秤台面板、六根U型梁、大小盖板和搭头板组成。电子汽车衡秤台结构的面板，其面板尺寸的长和宽是有国家标准的，本次设计的秤台台面尺寸是3000mm×40000mm

，所以能够改变的只有秤台台面的厚度。对于U型梁，它是由钢板经过切割、卷制而成的，它的设计参数有底部宽度、开口角度、高度、厚度、圆角半径以及长度这六个参数（在这里，圆角半径是工艺的要求，应作为设计常量）。其中对于U型钢之间的间距也是一个设计参数。对于大小盖板和搭头板的尺寸是依据以上部件要求设计变化的，唯一能改变的只是厚度。为了后续的参数化设计，依次将上述设计要素用变量表示出来，列表2如下：

   表2 电子汽车衡秤台结构设计变量参数的设定

针对设计要求和设计标准，将表2中部分设计变量约束条件列入下表3

表3 电子汽车衡秤台结构设计变量参数的约束条件

状态变量是根据GB/T7723-2008规定以形变量为迭代准则，即以秤台的纵向长度的1/800~1/1000为基准。本文电子汽车衡秤台的纵向长度为40000mm，则秤台的最大型变量不能超过4mm。

目标函数是以秤台的总重量为最终目标。 

如果将秤台的总重量表示为

，状态变量即秤台的最大变形量（绕度）表示为，最大等效应力表示为

，则可将上述各量写成数学模型的形式，如下： 

目标函数：

状态变量：

，

约束条件：

          

 

             

           

           

           

可以看出秤台结构的数学模型是一个单目标，多变量的非线性规划问题

针对电子汽车衡秤台结构特点，基于ANSYS软件平台，对其进行参数化建模，然后进行优化设计分析。与传统分析方法相比，我们做到了先建立数学模型，根据设计要求，任意改变结构的参数，通过ANSYS的优化平台，得到极高的数据精度，改变了传统的通过做大量实验，然后经过手工迭代的算法，最后结果还不一定准确，并且失败率还很高。

    在有限元软件ANSYS中，有一种类似于FORTRAN的逐行解释性语言，它能够提供一般程序语言的功能，如参数、宏、向量、标量以及矩阵运算、分支、循环、重复，还有访问ANSYS有限元数据库等，另外还提供简单界面定制功能，实现参数化交互输入、界面驱动、消息机制和运行应用程序等。这种语言即是APDL（ANSYS Parametric Design Language）语言。利用APDL的程序语言与宏技术组织管理ANSYS的有限元分析命令，就可以实现参数化建模、施加参数化载荷以及参数化求解，最后参数化后处理结果显示，从而实现有限元的参数化全过程，即通过设计变量的初始条件的参数化语言、材料的属性的参数化语言、单元类型选择、几何模型的参数化、网格划分的参数化、约束、加载等建立称台结构的有限元模型。 

有限元模型建好后，可用APDL语言对其定义结构优化设计分析所要的三要素： 

！定义设计变量，秤台的设计变量（只选对称台强度和刚度影响较大的六变量）有秤台面板厚度、U型梁底部宽度、U型梁开口角度、U型梁高度、U型梁厚度、U型梁间距，定义如下：

OPVAR,h3,DV,6,10          ！改变秤台面板的厚度

OPVAR,a,DV,120,150        ！改变U型梁底部宽度

OPVAR,x,DV,9,16           ！改变U型梁开口角度

OPVAR,h2,DV,288,320       ！改变U型梁高度

OPVAR,h1,DV,3.8,5.5        ！改变U型梁厚度

OPVAR,lj,DV,220,258        ！改变U型梁间距

!定义状态变量，按照国家标准加载，则允许的最大变形量为

，则以此值为迭代准则。

OPVAR,DMAX,SV,,4         ！改变最大变形范围 

OPVAR,STRESS,SV,,117.5     ！改变最大应力范围（此处根据公式

，所得，根据实际情况灵活取安全系数n）

!定义目标函数，以秤台的总重为目标。

OPVAR,WT,OBJ 

ANSYS提供了两种优化方法：零阶方法和一阶方法

本次优化分析采用零阶方法即可满足要求,用命令流表示如下：

OPTYPE,SUBP             !零阶方法

SAVE,dcs_opt_model

ANSYS为设计优化计算，提供了一系列的优化工具，有单步运行法(Single Run）、随机法（Random Designs）、乘子法（Factorial）、最有梯度法(Gradient)、扫描法(DV Sweeps)、子问题法（Sub-Problem）、一阶优化法（First-Order）、用户优化算法（User Optimizer）。本次优化选用子问题法，然后选用以秤台的最大刚度作为迭代的准则，其命令流是：

OPTYPE,SUBP      ！子问题法                   

OPSUBP,8      ！最大迭代次数

OPEXE            ！执行优化循环   

选取单一要素，进行逐步优化。优化过程进行了8次迭代就找出了最佳值。下面列出各设计要素优化结果。如下述各表所示：

通过调研，本文所分析出的一种秤台结构是一种新型结构：秤台的面板厚度减少了

，U型截面梁的底部宽度减少了

,开口角度变为了钝角，高度降低了,厚度减少了。这些秤台结构尺寸的改变可以为实际设计秤台提供参考。其中将U型梁的开口角度改变为钝角，可以使加工工艺更为方便。

由于软件的分析计算也是基于一定的理论基础，它所获得数值在理想情况下可以满足条件，然而在工程实实际中，要综合考虑各种因素，对于上述所优化分析出来的数据，譬如，秤台的面板厚度和U型梁厚度，由于要考虑焊接变形所带来的尺寸影响，所以根据实际经验取值，此种吨位的秤体的面板厚度值一般介于

到之间，U型梁厚度值一般介于

到

之间，只要在经验范围内即可，当然秤台的结构大小不同，称重的情况不同，可以视情况，不在上述范围内取值也行。在这里，为了满足秤体实际制造的要求，秤体的面板厚度值取为,U型梁的厚度取为

。对于U型梁的开口角度、底部宽度、高度这三个要素，在秤体的设计当中似乎很随意，但笔者在分析的过程中发现，这三者是相互关联的，改变其一，另外两个设计要素也要在设计范围内做相应改变。假定U型梁开口宽度不变，U型梁开口角度

与U型梁底部宽度成反比，U型梁高度

与U型梁底部宽度

成正比。它们的取值并不能随意选取，本次设计可以按软件分析计算取值，即U型梁开口角度为

，U型梁底部宽度值为

，U型梁高度值为

。 

    U型的间距在上述分析所得出的数据做成的几何模型成近似均布，然而按车轮实际接触位置，U型梁应等数量的分布秤台的两侧，在两侧分别对应均布分布。 

优化分析所得出的数值只是在一定的条件下满足，我们认为U型梁的间距可以在209mm到231mm之间取值，即与初始值

相差0.05%左右即可。在此，我们以

为初始值，在ANSYS优化设计模块中，让系统随机取值，系统计算出以下设计点如表5所示，设计点与秤台变形量的关系如附图2，从图中可以看出4点所处位置最低，对应的值在表5中可以读出，所以秤台的U型梁间距就取值为

。 

      表5  设计点表 

                                                   

综上所述，本次设计最终确立电汽车衡秤台的结构主参数为：

秤台面板厚度（

）：；

U型梁高度（

）：   

；

U型梁厚度（）：   

；

U型梁底部宽度（

）：；

U型梁开口角度（

）：；

U型梁间距（

）：

给定上述技术参数后，做出的三维模型图如附图3所示。  

该模型经过有限元分析，符合强度和刚求要求。该秤台的质量为1691.5 Kg，与原秤台质量（优化前秤台质量为1982.2Kg）相比降低了

。

    因此，本发明采用的技术方案如下: 

    一种电子汽车衡秤台结构，台面尺寸为3000mm×4000mm，其特征是：秤台面板厚度h₃=8mm，U型梁高度h₂=300mm，U型梁厚度h₁=5mm，U型梁底部宽度a=126mm，U型梁开口角度x=105°，U型梁间距lj=209mm。

附图说明

图1为本发明一种新型电子汽车衡秤台结构的结构示意简图， 

图2为设计点与秤台变形量的关系图，

图3为本发明称台结构的三维模型图，

图4为电子汽车衡秤台结构形式与特点图表。

具体实施方式

    从附图1看出，一种新型电子汽车衡秤台结构有六根U型梁（3），上面焊接一块钢板（面板）（1），U型梁之间焊接筋板（2），四个角焊接搭头板（4）等。面板尺寸为3000mm×4000mm，厚度h₃=8mm，U型梁高度h₂=300mm，U型梁厚度h₁=5mm，U型梁底部宽度a=126mm，U型梁开口角度x=105°，U型梁间距lj=209mm，U型梁每侧各三根对称分布。 

首先下料：取厚度8mm的板料，切成3000mm×4000mm面板，取厚度为5mm的板料，切成746mm×40000mm的U型梁面料，其中宽度746mm是按U型梁展开尺寸计算出来的，即300mm/sin75°×2+126mm=746mm，其他零件如筋板、接搭头板等按尺寸下好料。然后折弯：把切好的746mm×40000mm的U型梁面料放到折弯机上折弯，形成高度h₂=300mm，底部宽度a=126mm，开口角度x=105°的U型梁。最后焊接：把部分零件开好坡口后，按一定工艺顺序焊接好，焊接时把称台放到焊接夹具上，以减少焊接变形，达到规定的尺寸要求。 

Claims (1)

1.一种电子汽车衡秤台结构，台面尺寸为3000mm×4000mm，其特征在于：秤台面板厚度h₃=8mm，U型梁高度h₂=300mm，U型梁厚度h₁=5mm，U型梁底部宽度a=126mm，U型梁开口角度x=105°，U型梁间距lj=209mm。

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