作者简介：方骏，男，助理工程师，硕士，主要从事建设和交通领域计量工作。
基于ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ的整车式汽车衡轻量化研究
方 骏
（福建省计量科学研究院建设与交通计量研究所，福建福州３５０００３）
摘 要：汽车衡作为称重设备，其整体结构应满足刚度和强度要求，传统的设计一般采用冗余设计。轻量化的整车式汽车衡将减少材料的使用，并能提高汽车衡的生产效率和使用寿命，从而节约制造成本。通过有限元优化和ＣＡＤ设计，减少汽车衡秤台整体重量，达到轻量化效果。对优化后的汽车衡进行分析，结果达到刚度和强度的使用标准。本文对同类型的产品轻量化有一定的参考价值。关键词：汽车衡；有限元分析；轻量化
中图分类号：ＴＨ１２３＋ ２ 文献标识码：Ａ 国家标准学科分类代码：４６０ ４０３０ＤＯＩ：１０．１５９８８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００４－６９４１．２０２０．１２．００７
ＡＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＳｔｕｄｙｏｆＶｅｈｉｃｌｅＳｃａｌｅＢａｓｅｄｏｎＨＹＰＥＲＭＥＳＨ
ＦＡＮＧＪｕｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｗｅｉｇｈｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｈｅｗｈｏｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓｃａｌｅｓｈｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｖｅｈｉｃｌｅｓｃａｌｅｗｉｌｌｒｅｄｕｃｅｔｈｅｕｓｅｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｓｃａｌｅ，ｔｈｕｓｓａｖｉｎｇｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｃｏｓｔｓ．ＢｙｍｅａｎｓｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄＣＡＤｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｗｅｉｇｈｔｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓｃａｌｅｉｓｒｅｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｅｆｆｅｃｔｉｓａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｖｅｈｉｃｌｅｓｃａｌｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｒｅａｃｈｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｏｆｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｈａｓｃｅｒｔａｉｎｒｅｆｅｒ ｅｎｃｅｖａｌｕｅｆｏｒｔｈｅｓａｍｅｔｙｐｅｏｆｐｒｏｄｕｃｔｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ。Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅｓｃａｌｅ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ０ 引言
整车式汽车衡是让被测车辆全部停止在称台上进行称重，车辆行驶至汽车衡上停止的过程中，由车辆制动力产生的冲击力会作用在秤台上，这就需要秤
十万左右的汽车台结构具有一定的强度和刚度才能达到使用要求。
［１］对整车式汽车衡的轻量化有助于在降低质量的同时，提高其稳定性和安全性，本文利用ＣＡＤ／ＣＡＥ软件，采取有限元算法对汽车衡结构进行优化。文中先通过ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立汽车衡三维模型，然后将模型导入ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ中建立有限元模型，设置车辆在秤台上制动的工况并进行动态分析、模态分析
和疲劳分析。［２］
通过分析的结果可知汽车衡的位移
量、频率和疲劳寿命满足标准，有较大的设计冗余，
可以通过优化其尺寸来减小汽车衡质量。
［３］１ 建立有限元模型
本文的研究对象为（３ ４×２１）ｍ整车式汽车衡，该汽车衡主体结构由三个５ １ｍ和一个５ ７ｍ的秤台组成，利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件建立其三维模型。将零件模型导入ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ软件（见图１），首先要对模型进行几何清理，消除模型缺陷，然后对零件
进行网格化。
图１ 秤台的网格化结果
根据六轴铰接车型轮胎位置的参数建立轮胎模
１
２方骏：基于ＨＹＰＥＲＭＥＳＨ的整车式汽车衡轻量化研究
型，为简化运算，除去与分析无关的参数，可以用轮胎和联轴代替车辆，然后用３Ｄ和２Ｄ网格划分工具对模型进行网格化。汽车衡通过网格化后，将其划分成２３２２３１个单元节点以及２３６６７９个单元数量（见图１
）。检测下单元网格质量合格。２ 汽车衡的动态有限元分析
首先进行动态分析，模拟车辆以每小时十公里的速度行驶到汽车衡上后刹车到车速为零的过程，分析车辆由运动到静止这段时间内汽车衡受到的应力和变形情况。
由于轮胎的转动，汽车衡所受到的应力是不均匀的，应力的呈现是按一定的脉冲而变化。在第二组轮胎和第三组轮胎通过汽车衡时，秤台的应力有明显的上升趋势，当第三组轮胎通过汽车衡时相当于有一半的整车重量加载在汽车衡上。由于动力学分析受积分方式的影响，最大应力多集中在汽车衡边缘上，所以动力学分析结果不能确定汽车衡的最大应力的大小，通过其分析可以寻到车辆通过时汽车衡的最大受力位置，然后用在静力分析中求解其最大应力和变形情况。后面的疲劳分析以及最后对汽车衡的优化也是基于静力分析完成的。
从动态分析的趋势结果可以看出：当车辆的最后三组轮胎行驶到第一节汽车衡的中间时，汽车衡的第
一节所受到的应力是最大的（见图２）。所以做静力分析时可将车辆的最后三组轮胎全部移动到第一节汽车衡的中心，计算此时汽车衡的应力大小分
布和变形情况。
图２ 汽车衡的动态分析结果
根据汽车衡静力有限元分析结果可看出，车辆在汽车衡上时汽车衡受到的最大变形量为３
０５１ｍｍ（见图３）。结合汽车衡动态有限元分析，除去边界条件，该六轴车辆以１０ｋｍ速度行驶至汽车衡上，汽车衡受到的最大应力为１
１２ １１ＭＰａ（见图４）
。图３
静力分析后秤台的变形量分布
图４ 静力分析后秤台的应力分布３ 汽车衡的疲劳分析
汽车衡称量数据的重复性也是重要指标，因此在检测和使用时会对汽车衡进行重复性检测，由于汽车衡是精密仪器，受到外部因素影响较大，在模拟试验时可通过约束时间、车辆时速等来检测汽车衡是否存在问题。
利用Ｈ
ＹＰＥＲＭＥＳＨ对汽车衡进行疲劳分析，模拟汽车衡在使用一定次数后，秤台各部件的寿命和损坏情况。Ｏ
ｐｔｉＳｔｒｕｃｔ的疲劳优化功能允许基于疲劳特性的概念设计（拓扑、形貌和自由尺寸）和详细的设计（拓扑、形貌和自由尺寸），来自应力－寿命或者应变－
寿命疲劳分析的损伤和寿命作为优化的标准。
［４］
根据某收费站每天过车情况计算汽车衡的使用次数，按照每天平均通过的六轴车１００辆计算，三年时间内通过汽车衡的车流量为：
Ｎ＝１００辆×３６５天×３年＝１０９５００辆通过整合后汽车衡使用次数设定为十万辆。汽车衡的疲劳分析原理是：根据前面的动态分析，在汽车衡受到的最大应力处，加载符合正弦波形的循环疲劳，相当于模拟车辆一次次在汽车衡上停下。
汽车喇叭以上步骤完成后开始疲劳分析，分析后得到汽车衡的损伤图（见图５）。由损伤图可看出汽车衡在加载一万次的疲劳载荷后并无损伤。从汽车衡的疲劳寿命图（见图６）可看出秤台１中的四个承载梁４的寿命为负值，即汽车衡在使用十万次后该零件已经损坏。该位置是用螺栓固定传感器，属于刚性连
２２《计量与测试技术》２０２０年第４７卷第１２期
接，经过十万次的载荷后该零件容易被破坏。此处
构件在后面的优化中应做加强。
图５
汽车衡的疲劳损伤图
图６ 汽车衡的疲劳寿命图
４ 汽车衡的结构优化４ １ 模态分析
模态分析能表示出结构在某个易受影响的频率范围内的各阶模态的特性，由此可估算出该结构在此频率内受到的各种振源作用下产生的实际振动响
应。［５］
模态分析是结构的动态设计以及解决设备故障诊断的重要方法。
［６］首先用模态分析寻汽车衡的最小模态频
率。
［７］
物体的固有频率二次方等于刚度与质量的比值，即：
ω＝槡ｋ／ｍ式中：ω———物体的固有频率；ｋ———物体的刚度；ｍ———物体的质量。
在质量不变的情况下，固有频率越大，物体的刚
度越大。
［８］
模态计算结果显示第一阶模态在最后一节秤台上（见图７）。共振频率越高，物体的刚度越强，模态频率与物体的刚度成正比，第一阶模态是物体最小
的共振频率，［９］
模态分析的意义是轻量化的前处
理，使得轻量化后物体非受力的部件不受影响，避免
优化后出现材料尺寸为零的情况。
［１０］比较２０阶模态数值可得：优化的条件为第一阶模态要大于３５Ｈｚ；第二个优化条件是汽车衡所受应力不能大于２３５ＭＰａ，考虑到要消除边界应力，可将最大
应力乘上优化系数：２３５×（２／３）＝１５６ＭＰａ。要满足
这两个条件轻量化就是成功的。
图７ 汽车衡模态分析的第一阶模态图
４ ２ 尺寸优化
模态分析后开始汽车衡轻量化，轻量化的目标是构成汽车衡的钢板，该汽车衡的钢板厚度有六种规格，即六种变量：
Ｔ１＝３０ｍｍ、Ｔ２＝１４ｍｍ、Ｔ３＝
北京吉普车2022款报价及图片２０ｍｍ、Ｔ４＝６ｍｍ、Ｔ５＝４０ｍｍ、Ｔ６＝
１２ｍｍ。设置优化目标变量：先对每个厚度创建变量，每个厚度尺寸设置上限尺寸和下限尺寸，下限尺寸也不宜过小，保证每个尺寸上下限是其本身的两倍。各个板厚的上下限尺寸如下：
１
５≤Ｔ１≤６０７≤Ｔ２≤２８１０≤Ｔ３≤４０３二八车
≤Ｔ４≤１２２０≤Ｔ５≤８０６≤Ｔ６
≤
２４优化目标变量：Ｘ＝［Ｔ１Ｔ２Ｔ３Ｔ４Ｔ５Ｔ６
］Ｔ定义结果变量：应力、频率、质量。创建三个变量时要选中汽车衡所有的厚度尺寸。创建变量后要对这三个变量进行约束，设定应力的上限为１５６ＭＰａ，频率的下限值为３５Ｈｚ，将质量设定为最小值（ｍｉｎ）。
通过对模型的１０次迭代运算，在设定的应力上限和频率下限的条件下，分析软件在第１０次迭代后到最佳的优化结果，经过前四次迭代后，秤台的重量保持在１２ １８ｔ左右。汽车衡的轻量化优化结果：将汽车衡整体重量由１６ ４３７ｔ降至１２ ２０２ｔ（见图８）。软件在对汽车衡轻量化后，会自动将刚度不足的构件加厚，厚度冗余的零件厚度减小，如疲劳分析中会将损坏的零部件承载梁４的厚度自动增加。具体优化后的六种尺寸规格（见图９）。
３
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图８ 汽车衡轻量化后的质量优化趋势曲线
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图９ 汽车衡轻量化后的各规格零件厚度
由于通过软件优化得到的零部件尺寸并不是标准材料尺寸，因此还要对这些尺寸进行查表修改，根据ＧＢ／Ｔ７０９－２０１９《热轧钢板和钢带的尺寸、外形、
重量及允许偏差》查询标准热轧钢板尺寸，
［１１］
对优化尺寸进行圆整，圆整后的尺寸见表１。
表１ 汽车衡所有零件的材料厚度尺寸变化表
序号优化前尺寸（ｍｍ）
优化后尺寸（ｍｍ）圆整后尺寸（ｍｍ）
１６４ ８５３５ ０００２１２６ ０００６ ０００３１４９ ４３３１０ ０００４２０１５ ３００１６ ０００５３０１５ ０００１５ ０００６
４０
６９ ５７０
７０ ０００
根据使用优化后的尺寸重建汽车衡模型，消除干涉。最终轻量化后的汽车衡总重量约为１４ ３ｔ，相比优化前１６ ４３７ｔ的总重减少了约１３％，该汽车衡重量已经达到优化目标。
５ 优化后的汽车衡强度和刚度校核
汽车衡的最大变形量由原先的３ ０５１ｍｍ增大至３ ８８２ｍｍ（见图１０），该变形量仍然低于设定的秤台最大变形量。优化前汽车衡的最大应力为１１２ １１ＭＰａ，轻量优化后的最大应力增大至１４１ ５４ＭＰａ（见图１１）。汽车衡整体共振频率大于３５Ｈｚ（见图１２），通
过应力优化趋势曲线可看出在分析时汽车衡的最大应力超标１６％，
到第１０次迭代后应力值超标了０
００３％，所以优化后产生的应力是达标的。
图１０ 汽车衡轻量化后的变形量分布
图１１ 汽车衡轻量化后的最大应力变化
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234567
63896:;:365<
;;3696;63<5<;53<9<;2329<:3596;3=58253556>9352:;<
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238>8
图１２ 汽车衡轻量化后的应力优化趋势曲线
６ 结论
本文主要介绍了如何利用ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ对汽车衡结构进行优化，通过静态分析、动态分析和疲劳分析可知汽车衡的设计还存在很大的优化空间，所以本文的优化主要以轻量化为主，在保证汽车衡不超过设定的应力、不低于最小刚度的条件下，汽车衡的质量减小到合适的值。
〗
经过ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ优化后，汽车衡的重量从优化前１６ ４３７ｔ降低至１４ ３ｔ，最大变形量由３ ０５１ｍｍ增大至３ ８８２ｍｍ，最大应力由１１２ １１ＭＰａ增大至１４１ ５４ＭＰａ。变形量和应力的增大时轻量化的必然结果，但没有超过设定的最大应力和最小刚度，汽车衡的轻量化已达到优化目标。
（下转第３０页）
啮合齿轮泵的自动测试。通过对比得出，虽然远程终端监控系统的压力波动要比现场测试大，但其波动范围在压力设定值的±０ ２ＭＰａ内，仍然符合国家标准测试要求。
除跑合试验外，本测试系统还具备对内啮合齿轮泵进行效率特性、低速特性、冲击特性、超载特性以及超速特性测试的功能，使压力、转速、温度等参数形成了闭环控制，增加了测试系统的控制精确度。测试系统的多功能性使用户从多方面获取了内啮合齿轮泵的性能参数，为内啮合齿轮泵的设计及改进提供了有力的测试数据。另外根据用户需求本系统还设计开发了模拟注塑机工况性能测试，多次测试与实际工况对比，测试系统符合厂家要求，具有一定的实用价值。
６ 结论
本文基于ＬａｂＶＩＥＷ测控软件和Ｂ／Ｓ网络架构设计并开发了一套内啮合齿轮泵远程监控自动测试系统，在实现内啮合齿轮泵自动测试的同时增加了远程监控功能，完成对内啮合齿轮泵的远程测试数据的收集，还可远程更改被试内啮合齿轮泵测试流程，降低测试系统的维护成本。经过多次测试，现场和远程测试均稳定，具有很高的可靠性。
参考文献
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g级（上接第２４页）
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［１１］ＧＢ／Ｔ７０９－２０１９《热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差》［Ｓ］
（上接第２６页）
员，保养完成后，维保人员给数据采集器本机号码，系统自动识别相关信息，也可对发电机维修、报废、使用率、闲置率、加油、仓储等进行管理。４ 结束语
本系统通过高精度电压传感器和电流互感器精确测量发电机组的电压、电流值，并通过电压波动、频率、谐波等判断出当前发电是市电还是发电机发电，有效杜绝假发电的情况；通过软件算法统计固定油机的发电时长和发电量，减少因电量计量不准而造成的纠纷；此外本系统在传统的发电机组的基础上，利用ＧＰＲＳ芯片连接到云服务器，通过云服务器所具备的强大数据分析能力，为机组做早期故障预警、远程故障诊断、机组信息管理等流程管理，更好地发挥了固定油机系统的作用。
参考文献
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