基于有限元的叉車貨叉分析與設計

■ 南京環達裝飾工程有限公司 （江蘇南京 210000） 張 波

叉車是一種用于貨物裝卸、堆垛以及短途運輸的物料搬運工具。由于其可根據實際工作需要安裝相應的屬具，機動性強，隨著物流業的發展，叉車得到越來越廣泛的應用。叉車按其結構部位和功能可分為貨叉（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，貨叉作為叉車的重要承載部件，直接承受貨物的載荷，其結構性能直接影響叉車的使用安全。貨叉工作時受到交變應力作用，極易產生疲勞破壞。國家標準對貨叉的強度和剛度有著嚴格的要求。

有限元法是利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬，傳統的叉車設計大多依靠經驗以及模型試驗的方法來驗證叉車的強度和剛度，隨著有限元技術的發展和應用，越來越多的工程技術人員采用有限元的方法來提高設計效率，縮短產品研制的周期，降低成本。

本文采用UG軟件建立了某型7t叉車貨叉的三維實體模型，通過有限元法驗算其強度和剛度，為貨叉的設計提供了參考依據。

1. 貨叉三維模型

貨叉是叉車主要的受力部件，包括貨叉和支撐結構（貨叉架）。叉車貨叉按其安裝方式可分為溝槽式貨叉和環眼式貨叉。溝槽式貨叉通過兩個楔形槽與貨叉架固定，環眼式貨叉通過叉柄上的圓孔與貨叉架上的固定軸相連，使用過程中貨叉可繞固定軸轉動。小噸位叉車多采用溝槽式貨叉，而大噸位叉車以環眼式貨叉為主。7t叉車貨叉采用環眼式貨叉，其三維模型如圖1所示。

貨叉工作時要承受較大的載荷，因此對其強度性能要求較高，一般由合金鋼45Cr鍛造而成。貨叉架采用Q235鋼板厚鋼板焊接而成。貨叉材料力學性能見表1。

圖1 某型7t叉車貨叉三維模型

表1 貨叉材料力學性能

2. 有限元分析模型

（1）網格劃分 采用四面體網格對貨叉進行網格劃分，對容易產生應力集中的部位，如焊縫位置，進行適當加密，以提高有限元分析結果的準確性。而對于受力較小的部位，采用較大的單元尺寸，以提高計算的速度。采用BEAM單元模擬固定軸。劃分后的貨叉有限元模型如圖2所示。

圖2 貨叉有限元模型

（2）約束與載荷 根據貨叉的實際受力情況，在貨叉架的滾輪位置施加前后和左右方向的移動約束；在貨叉架鏈條位置施加上下方向的約束；釋放貨叉與連接軸的轉動自由度；在貨叉與貨叉架接觸位置添加接觸副。

本文采用靜力學分析的方法計算貨叉的強度，但是實際的貨叉受力過程是一個動態過程，因而需要在施加載荷的時候添加一個適當的安全系數。這個安全系數一般取1.4,則7t叉車進行靜力學分析時添加的載荷為：F＝7000×1.4×10＝98 000（N）。

3. 結果分析與討論

利用Nastran求解器對上述貨叉有限元模型進行求解，得到7t貨叉在1.4倍安全系數載荷下的位移云圖如圖3所示。其最大位移發生在貨叉尖部，最大位移為62.31mm。

貨叉架應力分布云圖如圖4所示。由圖4可知，貨叉架最大應力位于貨叉安裝軸上方橫梁與立柱焊縫位置，最大應力值為213MPa，小于貨叉架材料Q235的屈服強度235MPa，因而貨叉架的強度滿足使用要求。

貨叉的應力分布云圖如圖5所示。貨叉的最大應力位于貨叉根部轉彎處，為拉應力，大小為664.57MPa，小于貨叉材料45Cr的屈服強度835MPa，因此強度滿足要求。

圖3 貨叉位移云圖

圖4 貨叉架應力分布云圖

圖5 貨叉應力分布云圖

4. 結語

本文采用UG NX軟件建立了某型7t貨叉的三維模型，并對其進行了有限元結構靜力學分析。結果表明，所設計的貨叉強度和剛度滿足設計使用要求。為叉車貨叉的設計提供了參考依據。