基于ANSYS的新型側面叉車車架結構優化

仇立新

天津港遠航礦石碼頭有限公司

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基于ANSYS的新型側面叉車車架結構優化

仇立新

天津港遠航礦石碼頭有限公司

利用ANSYS有限元分析軟件對某一新型四輪獨立360°全回轉側面叉車車架結構進行了整體有限元計算，并對車架的強度、剛度和穩定性進行了全面的分析。根據車架分析的結果對車架結構進行了優化，使局部應力過大的情況得到了有效改善。

全回轉； 側面叉車； 車架； ANSYS

1 引言

本次研究的新型四輪獨立360°全回轉側面叉車，結構新穎、設計約束復雜，尚無可借鑒的對象模型，具有一定的局限性和盲目性，可能導致新型叉車的結構缺乏合理性。故本文以該新型側面叉車車架為研究對象，利用ANSYS有限元軟件對車架的強度、剛度和穩定性進行了全面的分析，并以對車架結構進行合理優化為最終研究目的，試圖為該機型車架的改進和設計提供一定的參考。

2 車架的基本結構形式

該車架結構主要由長度、寬度和厚度不一的金屬薄壁板焊接而成，車架結構使用的材料是Q345鋼。實體建模過程中對事物進行一定的合理簡化，其實體模型及基本構成見圖1。

3 車架的有限元分析

3.1 有限元模型的建立

在solidworks中建立好模型之后，將之保存為*.STEP的格式，之后通過專門的接口導入ANSYS軟件中，通過檢查發現幾何數據基本沒有丟失，模型也沒有失真，因此可以進行下一步工作[1]。由于車架結構是由板焊接而成，在進行網格劃分前需要進行大量的布爾粘合操作(Operate)。選用實體單元SOLID45來對新型側面叉車車架進行網格劃分(mesh)，劃分采用自動(free)生成。車架有限元模型見圖2。模型的節點數為149 680，單元數為524 826。

圖1 新型側面叉車車架的實體模型及主要部件名稱

3.2 分析工況

側面叉車車架危險工況主要分為2類：第一類是門架伸至最外端，貨叉插取貨物至最高點，貨物滿載；第二類是叉車行走時，門架縮回，滿載貨物位于載貨平臺上，且1個輪子懸空[2]。實際操作中主要是發生第一類情況，本文也將對第一類情況進行分析。

圖2 車架有限元模型

第一類工況下，對于新型側面叉車的車架而言，車架結構受到的約束主要來自4個車輪，在施加約束時，可將約束添加在車架與車輪相連接的面上，為全約束[3]。

對于新型側面叉車車架而言，車架所受到的載荷主要是門架系統作用在導軌上的力，以及駕駛室、蓄電池、電機對車架的力，其中，需要支撐貨物與門架系統的載荷F1與F2由導軌來承受，F1=39 428 N，F2=18 424 N；車架受到駕駛室的作用力F3=2 450 N；車架受到蓄電池的作用力F4=7 840N；車架受到電機的作用力F5=2 450 N。駕駛室位于車架的右側，電機位于車架左側，與駕駛室成對稱布置，蓄電池位于車架結構的中部。力的施加位置見圖3。

圖3 載荷分布圖

4 有限元結果分析

門架伸至最外端，貨叉插取貨物至最高點，貨物滿載的工況下，車架的應力云圖和位移云圖分別如圖4和圖5所示。

由應力云圖可知，該車架最大應力出現在車架左側懸架支座與車輪連接處，最大應力值為253 MPa。該車架的材料為Q345，安全系數取1.5，則其許用應力為[σ]=230 MPa。由位移云圖可知，該車架最大垂直位移出現在門架左側軌道下方，最大位移值為3.73 mm，這數值是滿足設計要求的。且在設計時，在車架叉貨的一側增加了2個支撐輪，來確保叉車的側向穩定性。因此，該車架結構是滿足設計要求的。

圖4 車架應力云圖

圖5 車架位移云圖

5 車架結構優化分析

針對車架局部應力過大的情況和對整體結構進行輕量化設計的目的，對叉車車架主要板件的厚度優化結果見表1。

表1 設計變量優化結果

優化后車架的體積較優化前下降了15.8%；優化后的車架應力云圖如圖6所示，最大應力仍出現在左側前輪獨立懸架支座與車輪連接處，最大應力值為228 MPa，小于其許用應力；優化后的位移云圖如圖7所示。

圖6 優化后應力云圖

圖7 優化后位移云圖

該車架最大垂直位移仍出現在門架左側軌道下方，最大位移值為4.16 mm，其值較優化前略有增加，但是由于在車架叉貨的一側增加了2個支撐輪，因此也是滿足設計條件，優化的結果是有效的。

6 結語

本文利用三維建模軟件和有限元分析軟件對新型側面叉車車架進行了整體的強度、剛度和穩定性分析，認為原車架結構基本是合理的，但仍有需要進一步改進的地方。車架經過優化改進后，局部應力過大的情況得到了有效改善，車架結構整體輕量化程度顯著，更加安全可靠，可大大節約原材料成本，對新型側面叉車車架的改進和設計有一定的參考意義。

[1] 陶元芳,衛良保.叉車構造與設計[M].北京:機械工業出版社,2009.

[2] 吳迪清,盧炎麟,陳宛兵,傅飛均.基于有限元的叉車車架模態分析及優化[J].輕工機械,2010(4)：47-50.

[3] 王志強,卞學良,羅明軍,等.側面叉車車架結構與有限元分析[J].機械設計與制造,2007(9):13-15.

仇立新： 300000，天津市南港路南疆11#、12#泊位

The Structure Optimization Based on ANSYS for a New Kind of Side-loading Forklift

Qiu Lixin

Yuanhang Ore Terminal Co. Ltd., Tianjin Port

The finite element calculation is established with ANSYS software for the mast structure of a new kind of four-wheel independent and 360 degrees full-rotating side-loading forkliftwith. And the frame strength, stiffness and stability is analyzed entirely. The mast structure is optimized with the result of mast analysis and the situation of too much local stress is effectively improved.

full-rotating; side-loadingforklift; mast; ANSYS

2016-07-13

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.06.007