基于Workbench的某型叉車車架開裂分析及優化改進

陸 維，林 博，李樹青，覃柱仁

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

叉車車架是叉車最主要、最關鍵的結構件，前端連接著門架、貨叉架，中部安裝發動機，后端安裝配重，不僅承受著叉、裝貨物時產生的工作載荷，同時也承受著附件的重力以及在行駛過程中的各種沖擊載荷[1]。作為承載的關鍵部件，在設計的時候要充分考慮車架的可靠性。國內、外制造叉車的企業在解決車架可靠性問題的時候通常是采用有限元的方法，對叉車的典型工況、極端工況進行有限元分析計算并優化設計，然后通過場地試驗或者臺架試驗來驗證計算結果，從而解決車架的可靠性問題。本文針對叉車車架開裂的問題，通過有限元靜強度仿真分析和應力測試試驗，優化、改進車架局部結構，在工程應用上快速而有效地解決了車架開裂問題。

1 叉車車架開裂問題

某型叉車在進行現場作業測試時，發現車架出現開裂的現象，裂紋的具體位置在車架腹板和傾斜油缸支座焊縫連接處，如圖1所示，裂紋出現在焊趾附近，應該是從腹板上邊緣開始出現，逐步向下擴展。該叉車現場測試的時間較短，初步判定是由于在某些極限工況下，該處出現應力集中現象，應力過大，短時間內產生裂紋，造成開裂失效[2]。為了找到車架開裂的原因和改進優化的方案，對車架進行了有限元靜強度仿真分析和應力測試試驗。

圖1 車架開裂

2 車架有限元靜強度仿真分析

2.1 叉車車架有限元模型建立

把叉車車架三維模型導入到ANSYS Workbench中，為了簡化模型，提高網格劃分的質量和計算效率，首先把一些不影響車架強度的搭子、小部件刪除掉，然后去除小倒角、小孔之類的工藝特征[3]。然后采用實體單元自動劃分網格，軟件會根據部件的外形自動采用合適的單元類型，建立的車架有限元模型如圖2所示，模型共有734839個節點、287687單元。

圖2 車架有限元模型

2.2 施加邊界條件

車架主要分析的工況是車架傾斜油缸支耳承受最大載荷的工況，主要關注的是腹板開裂部位的應力，并且把改進前后腹板開裂部位的應力作對比，以此確定改進方案。

2.2.1 施加的載荷

通過油缸壓力可求出支耳受到的拉力。在車架的每個支耳上施加16500N的力，力的方向是沿著傾斜油缸的方向，如圖3所示。

圖3 施加的載荷

2.2.2 施加的約束

在前橋和后橋的安裝面施加固定約束，如圖4所示。

圖4 施加的約束

2.3 有限元分析結果

前車架應力云圖，如圖5所示。通過云圖可看出車架腹板開裂處有應力集中現象，最大應力是264MPa，腹板的材料是Q235，超過了屈服極限，所以很容易發生開裂，與測試反饋開裂現象基本吻合。接下來可在這個分析模型的基礎上進行改進和優化，降低開裂部位的應力。

圖5 應力云圖

3 車架優化和改進

通過前面的仿真分析結果可初步判斷車架開裂是由于局部應力集中造成的，所以車架優化和改進方向是局部結構加強，降低該部位的應力，減小開裂的風險。

3.1 改進方案一

向下增加支耳與腹板焊縫處的腹板寬度，如圖6所示，提高腹板前后方向的抗彎能力。

圖6 改進方案一

對改進后的模型進行有限元分析，按照之前的邊界條件進行加載，經過計算，局部應力降到了229MPa，如圖7所示。

圖7 方案一應力云圖

3.2 改進方案二

向上增加支耳與腹板焊縫處的腹板高度，如圖8所示，提高腹板前后方向的抗彎能力。

圖8 改進方案二

對改進后的模型進行有限元分析，按照之前的邊界條件進行加載，經過計算，局部應力降到了136MPa，如圖9所示。

圖9 方案二應力云圖

腹板的材料是Q235，其安全系數一般取1.5，那么腹板的許用應力是157 MPa。經過分析和對比，方案二的局部應力降到了136 MPa，由此可見方案二是可行的，可作為產品實際改進方案。

4 實驗測試

為了驗證有限元分析的準確性以及改進后的效果，對改進前后的車架進行了應力應變測試實驗，實驗采用的設備是eDAQ數據采集儀。

4.1 測點位置

在支耳與腹板連接焊縫的頂部，也就是開裂的初始位置貼應變花，具體位置如圖10、11所示。

圖10 改進前貼片位置

圖11 改進后貼片位置

4.2 實驗數據與有限元分析數據對比分析

按照最大載荷工況進行實驗測試、采集數據，并與計算結果進行對比，結果見表1。

表1 實驗與計算結果對比

通過上表對比可知，以實驗應力為準，改進前計算應力的誤差是3.5%，改進后是6.3%。考慮到計算模型經過簡化處理，以及有限元分析的邊界條件設置與實驗條件存在一定的差異，但誤差較小，在10%以內，計算結果和實驗結果基本吻合。實驗驗證了有限元分析的準確性，也證明改進有效。

5 結束語

本文運用Workbench對叉車車架進行靜強度分析，發現車架開裂部位存在應力集中是造成車架開裂的主要原因。對車架進行局部改進和優化，消除了應力集中的問題，并形成了改進方案。通過實驗驗證了有限元分析的準確性，也驗證了改進方案的可行性，有效地解決了車架開裂問題，延長了車架使用壽命，為解決此類問題提供了一種快速而有效的方法。