叉車門架結構的有限元分析

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1 研究背景

叉車是一種用于裝卸貨物、堆垛及短途運輸的物料搬運工具。由于可根據實際工作需要安裝相應的屬具,機動性強,因此隨著物流業的發展,叉車得到越來越廣泛的應用[1-2]。叉車包括貨叉架、門架、車架、護頂架、電氣系統和液壓系統等部件。其中,門架作為叉車的主要受力部件,其結構性能直接影響叉車的使用安全。門架工作時受到交變應力的作用,極易產生疲勞破壞[3-4]。

有限元方法是利用數學近似的方法對真實物理系統的幾何和載荷工況進行模擬,廣泛應用于結構、流體、傳熱和電磁分析等領域[5]。傳統的門架設計大多依靠經驗及模型試驗的方法來驗證門架的強度和剛度[6],而隨著有限元技術的應用和發展,越來越多的工程技術人員采用有限元方法來提高設計效率,縮短新產品的開發周期,減少研制成本[7-11]。

筆者應用Unigraphics軟件建立某型7 t叉車門架的三維實體模型,通過有限元方法來分析叉車門架的強度和剛度,為門架的設計提供參考。

2 門架三維建模

門架是叉車主要的受力部件。外門架的下部鉸接到車架或前橋上,通過外門架中部或上部的油缸控制門架的前傾和后仰。叉車可根據使用場合和高度選用二級或三級門架。門架和貨叉架一般采用液壓油缸結合鏈條起升。某型7 t叉車采用二級門架,其內門架采用一組液壓油缸提升,貨叉架采用鏈條提升,三維模型如圖1所示。

圖1 叉車門架三維模型

由于門架工作時要承受較大的載荷,因此其強度性能要求較高,一般由Q345鋼和鋼板焊接而成。Q345鋼的彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,屈服強度為345 MPa。

3 有限元分析

3.1 網格劃分

采用四面體網格對門架進行網格劃分。對于容易產生應力集中的部位,如焊縫位置等,適當地加密網格,以提高有限元分析結果的準確性。對于受力較小的部位,如門架未焊接的部分、貨叉架等,采用較大的網格尺寸,以提高計算的速度。

油缸和鏈條不是門架結構有限元分析的重點,僅起到傳遞力和載荷的作用,因此分析時可采用梁單元代替油缸和鏈條。采用梁單元代替油缸和鏈條時,必須根據油缸和鏈條實際的工況釋放其自由度,否則門架的受力情況與實際情況不符,影響分析的準確性。滾輪與門架間是滾動摩擦,鋼與鋼之間的滾動摩擦因數為0.05,采用接觸單元連接。網格劃分后的門架有限元模型如圖2所示。

3.2 約束與載荷施加

根據門架的實際受力情況,在門架鉸接位置施加前后、左右、上下方向的移動約束和前后、上下方向的轉動約束,在油缸與車架連接的位置施加與上述相同的約束。

圖2 叉車門架有限元模型

采用靜力學分析的方法計算門架的強度。門架在不同工況下的受力情況各不相同,只考慮最惡劣的工況,即貨叉架滿載達到最大起升高度且門架前傾至最大角度。同時,叉車工作是一個動態的過程,因而需要在施加載荷時添加一個適當的載荷安全因數,這個安全因數一般取1.5[7]。由此,7 t叉車進行靜力學分析時添加的載荷為7 000×1.5×10=105 000 N。

3.3 分析結果

前處理完成后,進入Unigraphics軟件高級仿真模塊進行有限元分析計算。利用Nastran求解器對上述叉車門架有限元模型進行求解,解算方案類型選擇SOL 101 Linear Statics-Global Constraints。為提高求解速度,打開單元迭代求解器。接觸參數設置時,滾動摩擦因數為0.05,法向懲罰因子為1,切向懲罰因子為0.1。設置完成后,即可提交進行求解分析。

分析完成后,進入后處理模塊查看分析結果,得到7 t叉車門架在載荷安全因數為1.5時的位移云圖,如圖3所示。可見,最大位移發生在貨叉尖部,最大位移值為85.5 mm。

外門架應力分布云圖如圖4所示。外門架最大應力產生于內門架滾輪與外門架接觸的位置,最大應力值為322 MPa,小于門架材料Q345鋼的屈服強度(345 MPa)。同時,應當注意到,在外門架橫梁與外門架型鋼焊接的部位有應力集中現象,應當在后續試驗時加強檢測和觀察。

內門架應力分布云圖如圖5所示。內門架最大壓應力產生于鏈輪軸附近,最大壓應力值為431.88 MPa。內門架最大拉應力產生于內門架頂部橫梁與內門架型鋼焊接處,最大拉應力值為275.38 MPa,小于門架材料Q345鋼的屈服強度(345 MPa),因此強度滿足要求。

圖3 叉車門架位移云圖

圖4 外門架應力分布云圖

圖5 內門架應力分布云圖

4 結束語

筆者應用Unigraphics軟件建立某型7 t叉車門架的三維實體模型,選取最惡劣工況,對其進行結構有限元分析。分析結果表明,所設計的叉車門架,其強度滿足使用要求。所做研究為叉車門架的設計提供了參考。