FEM分析方法在叉車門架重疊度設計變更中的應用

方文勇/文

FEM分析方法在叉車門架重疊度設計變更中的應用

方文勇/文

本文提出在叉車門架重疊度設計變更中使用FEM分析方法，并建立有限元分析模型，通過應力分析計算，對比更改設計前后應力計算結果，確認設計方案合理性并確定是否符合設計要求。FEM分析可以大幅減少設計變更的工作量，并有效降低相關重復調整的試驗費用，是一種目前門架重疊度設計變更的科學方法。

FEM分析、叉車門架、重疊度、設計變更

FEM是Finite Element Method的縮寫，譯為“有限單元法”，在實際應用中往往被稱為有限元分析。FEM是一種高效能、常用的計算方法，它將連續體離散化為若干個有限大小的單元體的集合，以求解連續體力學問題。

圖1：降低門架型鋼之間的重疊度 3

叉車門架重疊度更改，需確認更改后的結構在實際運用中所能夠承受的載荷。傳統的方法是設計者憑借經驗完成初步設計變更，工廠根據設計方案制造出樣品，接著對樣品進行載荷、耐久等試驗測試，再根據試驗情況，判斷是否需要對設計變化后的結構進行再次優化調整，以便達到設計要求。

單純憑借設計者的經驗進行分析判斷，往往無法一次性滿足設計要求、完成設計變更，而是需要反復地更改和試驗，進而消耗了大量的人力和物力。FEM分析方法在叉車門架結構設計變更過程中的運用，可以分析對比門架結構更改的前后應力變化，理論驗證結構更改的合理性，能夠大大減少重復更改設計的工作量。

一、門架重疊度更改的背景

叉車生產企業量產的叉車一般都有統一高度的門架，但某些工況需求比較特殊的客戶，為滿足物料實際搬運需求，會要求叉車既有較高的最大提升高度h3，同時具有較低的門架縮回高度h1，這就要求對標準的門架做出適當的調整，以滿足客戶要求。從結構更改的角度來看，最佳的解決方案是降低門架型鋼與型鋼之間的重疊度γ3，如圖1所示。

重疊度更改設計后，門架的某些重要部位在實際使用中的應力也會隨之產生變化。筆者通過使用FEM分析更改前后應力變化的大小，判斷是否需要增強對應部門或零部件的強度，以及是否需要通過其他限制使用條件，來保證門架的安全使用和壽命。

以下將通過具體案例來驗證，重疊度更改設計如何利用FEM分析方法，模擬計算設計結果是否符合設計要求。

二、幾何模型的建立和參數要求

FEM分析的第一步是建立幾何模型并設置相關參數，重疊度更改分析模型涉及整個門架，本案例的幾何模型參數設置如下：

1.Object（物體）：（1）更改重疊度前的門架；（2）更改重疊度后的門架，如圖2。

2.Load （載荷）：3t

3.Weight of inner mast（內門架重量）: 500 kg

4.Load center（承載中心距）：500 mm

5.Load Offset（承載偏移）：100 mm 在 +y軸方向

6.Material（材料）：Q345D

7.Yield strength（屈服強度）：345 MPa

8.Ultimate Tensile（極限抗拉強度）：470 MPa

三、FEM模型和約束

幾何模型設置完成以后，需要對FEM模型進行分析，并設定相關約束條件。

1.FEM模型：為了準確地用單元網絡模擬零件的幾何結構，前處理運用Femap進行網格劃分，采用10節點四邊體網格，網格尺寸6mm,遠離熱點位置，適當加大網格尺寸，模型如圖3。

2.約束條件：將門架與驅動橋連接處的中心做為固定點，約束其X、Y、Z軸方向的偏移，只允許繞軸旋轉。在載荷中心處500mm加載受力大小和方向，考慮內門架的重量和動態系數，大小：(3000+500)x1.4x10=49000N，力的方向垂直向下。

圖2：更改重疊度后的門架

圖3：FEM模型

圖4：更改前熱點的應力情況

圖5：更改后熱點的應力情況

圖6：更改前滾輪軸的受力值和應力

圖7：更改后滾輪軸的受力值和應力

四、FEM分析

采用對比分析方法，即在重疊度更改前后的載荷和加力點位置保持一致的條件下，對比更改前后的FEM分析結果。針對該重疊度更改，FEM分析主要包括兩個方面：

1.對比更改前后，新舊門架熱點位置(hot spot)的應力。

（1）更改前、后熱點應力情況，如圖4、圖5。

更改后4個應力集中部位應力均出現下降，最大降低5.9%，最小降低3.1%。

2.根據門架上滾輪軸受力的變化，分析滾輪軸應力的變化。

由于更改后門架最大提升高度增大，更改后的彎曲變形增大，導致滾輪軸上的受力增大。更改前、后滾輪軸的受力值和應力，如圖6、圖7。

五、分析結果與結論

1.重疊度更改，并沒有增大熱點位置的應力，反而有略微減小的趨勢，因此，更改后能夠滿足設計要求，無須再更改。

2.門架提升到最大高度4525mm后，滾輪軸的受力增大，應力隨之增大15%。如果客戶一直按照更改前的載荷承載到最大高度，勢必影響滾輪軸的使用壽命，因此如果客戶需要使用更改后的門架，提升高度到4325mm與4525mm之間，相應的承載能力需要減小15%，以確保門架的強度和使用壽命。

3.采用FEM分析，能有效地分析更改前后的應力變化，通過限制承載的重量來確保門架的使用壽命，與傳統的設計方法相比，節省了改進時間、費用以及相關試驗工作量，是一種行之有效的分析方法。

作者單位為林德(中國)叉車有限公司