針對(duì)機(jī)架在傳感器誤差標(biāo)定過(guò)程中存在的穩(wěn)定性問(wèn)題，采用有限元分析技術(shù)對(duì)機(jī)架預(yù)應(yīng)力模態(tài)及諧響應(yīng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。采用 CTAIA 軟件對(duì)機(jī)架進(jìn)行三維建模，選用四邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，對(duì)三維模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分及局部加密處理。基于模態(tài)、諧響應(yīng)分析理論，求解得到機(jī)架的固有頻率和振型，結(jié)果表明: 第 3 階、第 5 階和第 6 階模態(tài)振動(dòng)對(duì)機(jī)架與氣缸連接部分影響最大。

伴隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)重量的測(cè)控逐漸成為工業(yè)中不可缺少的一部分。作為稱重系統(tǒng)不可缺少的一部分，汽車衡稱重傳感器精度的高低對(duì)重量的檢測(cè)有重要的影響。在對(duì)稱重傳感器精度影響的因素中，蠕變現(xiàn)象的影響是不可忽略的。蠕變( Creep) 是在恒定溫度和載荷下隨時(shí)間效應(yīng)緩慢地變形過(guò)程，在此過(guò)程中零件變形會(huì)隨著時(shí)間而逐漸增大。上面的定義是微觀概念，實(shí)際應(yīng)用中，隨著時(shí)間的增加零件的變形逐漸增大，與此同時(shí)應(yīng)力的大小也可能發(fā)生變化，因此蠕變的宏觀概念為: 零件受到恒定溫度和外力作用時(shí)，應(yīng)力與變形隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。

近十年來(lái)，機(jī)械制造行業(yè)中對(duì)稱重傳感器蠕變誤差檢測(cè)裝置研究已經(jīng)成為一大熱點(diǎn)。機(jī)架作為稱重傳感器蠕變檢測(cè)裝置中主要的承力裝置，主要承受氣缸砝碼的重量以及砝碼加載過(guò)程中的沖擊載荷，一旦發(fā)生過(guò)大變形會(huì)對(duì)傳感器蠕變檢測(cè)精度造成很大影響。因此，機(jī)架的力學(xué)性能對(duì)稱重傳感器蠕變檢測(cè)裝置檢測(cè)精度有著重要的影響。本文利用三維設(shè)計(jì)軟件 CTAIA 對(duì)稱重傳感器蠕變檢測(cè)裝置機(jī)架進(jìn)行三維建模，利用 ANSYS 有限元分析軟件對(duì)機(jī)架進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真分析。由于機(jī)架在不受外力的情況下本身存在著氣缸砝碼對(duì)其的拉力，因此，本文首先要搭建一個(gè)預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析系統(tǒng)，即首先對(duì)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，然后將結(jié)果傳遞到模態(tài)分析，并采用模態(tài)疊加法對(duì)機(jī)架進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

1.檢測(cè)裝置及工作原理

稱重傳感器蠕變誤差檢測(cè)系統(tǒng)由載荷加載裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件以及其數(shù)據(jù)采集硬件等 4部分組成。在對(duì)稱重傳感器進(jìn)行蠕變誤差檢測(cè)時(shí)，首先將稱重傳感器固定到載荷施加裝置的具體加載位置，在計(jì)算機(jī)上啟動(dòng)相應(yīng)軟件使其開始運(yùn)行，加載時(shí)通過(guò)氣缸控制砝碼向下移動(dòng)，當(dāng)砝碼加載到稱重傳感器上時(shí)，傳感器上的彈性體在砝碼重力的作用下產(chǎn)生變形，使得粘接在彈性體表面的應(yīng)變片發(fā)生變形，導(dǎo)致應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，通過(guò)相應(yīng)電路的處理從而將力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，對(duì)采集來(lái)的稱重傳感器蠕變數(shù)據(jù)按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)判斷是否合格，最后將測(cè)量數(shù)據(jù)保存。稱重傳感器蠕變誤差檢測(cè)裝置如圖 1 所示。

2.機(jī)架有限元建模

將機(jī)架的三維模型導(dǎo)入 ANSYS Workbench 中，首先對(duì)導(dǎo)入模型進(jìn)行材料設(shè)置，在 ANSYS Workbench 自帶的材料庫(kù)中選擇材料 Structure steel，其密度為 7． 85 g /cm3 ，彈性模量 E = 200 000 MPa，泊松比 μ = 0． 3。然后對(duì)有限 圖 1 稱重傳感器蠕變誤差檢測(cè)裝置模型元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了避免分析過(guò)程中沙漏效應(yīng)的影響，保證計(jì)算結(jié)果的精度，網(wǎng)格單元?jiǎng)澐诌^(guò)程中進(jìn)行細(xì)化。同時(shí)，過(guò)密的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致計(jì)算推進(jìn)過(guò)程時(shí)間變長(zhǎng)，降低有限元分析的效率，因此，有限元分析過(guò)程中，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格疏密程度的選擇要合理。本文網(wǎng)格結(jié)構(gòu)選用四邊形，對(duì)機(jī)架有限元模型進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，并對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。由于機(jī)架上端與氣缸砝碼連接受力較大，因此該區(qū)域網(wǎng)格劃分比較精細(xì)。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分得到的機(jī)架有限元模型共有 314 487 個(gè)節(jié)點(diǎn)、158 978 個(gè)網(wǎng)格單元。具體有限元網(wǎng)格模型劃分結(jié)果如圖 2 所示。

3.預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

固有頻率和振型是機(jī)架承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù) 由于機(jī)架本身受到氣缸砝碼的拉力，因此，本文利用模態(tài)分析技術(shù)研究稱重傳感器蠕變誤差檢測(cè)裝置機(jī)架的振動(dòng)特性。具體分析流程如下: 首先對(duì)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，然后將結(jié)果傳遞給模態(tài)分析，再將模態(tài)分析結(jié)果傳遞給諧響應(yīng)分析，從而完成機(jī)架的動(dòng)態(tài)特性分析。

機(jī)架作為稱重傳感器蠕變誤差檢測(cè)裝置其他零部件安裝的基準(zhǔn)部件，稱重傳感器蠕變誤差測(cè)試的精確性與其整體穩(wěn)定性息息相關(guān)，因此十分有必要對(duì)機(jī)架的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。由于低階振型對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性影響比高階振型對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性影響大，因此在實(shí)際中主要觀察低階振型對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響情況 。在實(shí)際傳感器蠕變誤差檢測(cè)過(guò)程中 機(jī)架固定在地面上 因此將機(jī)架有限元模型四個(gè)調(diào)平裝置的下表面施加固定約束。由于機(jī)架頂部的圓形區(qū)域要承受氣缸砝碼施加的大小為 1000 N 的拉力，因此在機(jī)架有限元模型頂部圓形區(qū)域施加一個(gè)大小為 1000 N 的集中力。具體載荷施加情況如圖 3 所示。載荷施加完成后通過(guò)有限元求解得到機(jī)架的應(yīng)力、變形云圖，如圖 4 所示。從圖中可以看出機(jī)架與氣缸砝碼連接處的圓形區(qū)域應(yīng)力、變形較大，最大變形為 0． 088 mm，最大應(yīng)力為15． 587 MPa。靜力學(xué)分析完成后將分析結(jié)果傳遞給模態(tài)分析系統(tǒng)，設(shè)置好模態(tài)提取階數(shù)為 6 階，通過(guò)模態(tài)求解獲得預(yù)應(yīng)力模態(tài)下機(jī)架的前 6 階固有頻率及對(duì)應(yīng)振型如表 1 所示。

由表 1 可知: 機(jī)架的主要振動(dòng)形式表現(xiàn)為彎曲振動(dòng)，其次是扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。在機(jī)架的前 6 階模態(tài)振型中，第 3、5、6 階模態(tài)振型皆會(huì)在氣缸安裝位置產(chǎn)生振動(dòng)變形( 如圖 5 所示) ，從而影響砝碼加載過(guò)程中的穩(wěn)定性及蠕變誤差檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

4.諧響應(yīng)分析

運(yùn)用諧響應(yīng)分析技術(shù)對(duì)稱重傳感器蠕變誤差檢測(cè)裝置機(jī)架機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，從而分析其能不能克服外部激勵(lì)引起的振動(dòng)，如砝碼加載過(guò)程中引起機(jī)架的共振，以及其他外部激勵(lì)可能對(duì)機(jī)架機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生破壞影響 。本文采用模態(tài)疊加法對(duì)機(jī)架進(jìn)行諧響應(yīng)分析 通過(guò)模態(tài)分析以及綜合考慮機(jī)架的實(shí)際工作頻率，最后選擇計(jì)算頻率范圍為 0 ～ 100 Hz，并選定求解頻率間隔為 1 Hz，取機(jī)架與氣缸砝碼連接處進(jìn)行振動(dòng)諧響應(yīng)分析。通過(guò)諧響應(yīng)分析得到機(jī)架裝置各個(gè)節(jié)點(diǎn)在振動(dòng)頻率為1 ～ 100 Hz 時(shí)的位移響應(yīng)曲線如圖 6 所示。

通過(guò)諧響應(yīng)分析計(jì)算得出當(dāng)外部振源激勵(lì)頻率為0 ～ 100 Hz 時(shí)，機(jī)架各部位最大相對(duì)變形及其頻率如表 2 所示。

通過(guò)與模態(tài)分析結(jié)果( 表 1) 相對(duì)照，可以看出幅頻響應(yīng)曲線出現(xiàn)峰值時(shí)的頻率與固有模態(tài)第 1 階15． 878 Hz和第 3 階 34． 327 Hz 頻率相接近。當(dāng)振源與這兩個(gè)頻率接近時(shí)，機(jī)架將會(huì)產(chǎn)生共振，在實(shí)際蠕變誤差檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)使其工作頻率避開這兩個(gè)共振頻率。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮 1 階、3 階頻率下的總體變形云圖，1 階頻率下的總體變形云圖如圖 7 所示。

5.結(jié) 論

基于有限元?jiǎng)恿W(xué)分析理論，對(duì)稱重傳感器蠕變誤差檢測(cè)裝置托架進(jìn)行了靜力學(xué)分析、模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn):

( 1) 通過(guò)對(duì)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到了稱重傳感器蠕變誤差檢測(cè)裝置機(jī)架的最大應(yīng)力、最大變形以及確定了機(jī)架應(yīng)力與變形最大部位發(fā)生在機(jī)架上端與氣缸砝碼連接處;

( 2) 從機(jī)架預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，第 3 階、第 5 階和第 6 階類模態(tài)振動(dòng)對(duì)機(jī)架的頂部氣缸安裝位置產(chǎn)生振動(dòng)變形，從而對(duì)氣缸運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和傳感器標(biāo)定精度產(chǎn)生影響;

( 3) 通過(guò)諧響應(yīng)分析模擬氣缸簡(jiǎn)諧激勵(lì)對(duì)機(jī)架振動(dòng)的影響，確定托架各個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域的共振頻率( 第 1 階模態(tài)頻率 15． 878 Hz、第 2階模態(tài)頻率 34． 327 Hz) 。根據(jù)上述結(jié)論，可為稱重傳感器蠕變誤差檢測(cè)裝置氣缸的選型提供一定的理論參考。