叉车门架结构的有限元分析

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1 研究背景

叉车是一种用于装卸货物、堆垛及短途运输的物料搬运工具。由于可根据实际工作需要安装相应的属具,机动性强,因此随着物流业的发展,叉车得到越来越广泛的应用[1-2]。叉车包括货叉架、门架、车架、护顶架、电气系统和液压系统等部件。其中,门架作为叉车的主要受力部件,其结构性能直接影响叉车的使用安全。门架工作时受到交变应力的作用,极易产生疲劳破坏[3-4]。

有限元方法是利用数学近似的方法对真实物理系统的几何和载荷工况进行模拟,广泛应用于结构、流体、传热和电磁分析等领域[5]。传统的门架设计大多依靠经验及模型试验的方法来验证门架的强度和刚度[6],而随着有限元技术的应用和发展,越来越多的工程技术人员采用有限元方法来提高设计效率,缩短新产品的开发周期,减少研制成本[7-11]。

笔者应用Unigraphics软件建立某型7 t叉车门架的三维实体模型,通过有限元方法来分析叉车门架的强度和刚度,为门架的设计提供参考。

2 门架三维建模

门架是叉车主要的受力部件。外门架的下部铰接到车架或前桥上,通过外门架中部或上部的油缸控制门架的前倾和后仰。叉车可根据使用场合和高度选用二级或三级门架。门架和货叉架一般采用液压油缸结合链条起升。某型7 t叉车采用二级门架,其内门架采用一组液压油缸提升,货叉架采用链条提升,三维模型如图1所示。

图1 叉车门架三维模型

由于门架工作时要承受较大的载荷,因此其强度性能要求较高,一般由Q345钢和钢板焊接而成。Q345钢的弹性模量为210 GPa,泊松比为0.3,屈服强度为345 MPa。

3 有限元分析

3.1 网格划分

采用四面体网格对门架进行网格划分。对于容易产生应力集中的部位,如焊缝位置等,适当地加密网格,以提高有限元分析结果的准确性。对于受力较小的部位,如门架未焊接的部分、货叉架等,采用较大的网格尺寸,以提高计算的速度。

油缸和链条不是门架结构有限元分析的重点,仅起到传递力和载荷的作用,因此分析时可采用梁单元代替油缸和链条。采用梁单元代替油缸和链条时,必须根据油缸和链条实际的工况释放其自由度,否则门架的受力情况与实际情况不符,影响分析的准确性。滚轮与门架间是滚动摩擦,钢与钢之间的滚动摩擦因数为0.05,采用接触单元连接。网格划分后的门架有限元模型如图2所示。

3.2 约束与载荷施加

根据门架的实际受力情况,在门架铰接位置施加前后、左右、上下方向的移动约束和前后、上下方向的转动约束,在油缸与车架连接的位置施加与上述相同的约束。

图2 叉车门架有限元模型

采用静力学分析的方法计算门架的强度。门架在不同工况下的受力情况各不相同,只考虑最恶劣的工况,即货叉架满载达到最大起升高度且门架前倾至最大角度。同时,叉车工作是一个动态的过程,因而需要在施加载荷时添加一个适当的载荷安全因数,这个安全因数一般取1.5[7]。由此,7 t叉车进行静力学分析时添加的载荷为7 000×1.5×10=105 000 N。

3.3 分析结果

前处理完成后,进入Unigraphics软件高级仿真模块进行有限元分析计算。利用Nastran求解器对上述叉车门架有限元模型进行求解,解算方案类型选择SOL 101 Linear Statics-Global Constraints。为提高求解速度,打开单元迭代求解器。接触参数设置时,滚动摩擦因数为0.05,法向惩罚因子为1,切向惩罚因子为0.1。设置完成后,即可提交进行求解分析。

分析完成后,进入后处理模块查看分析结果,得到7 t叉车门架在载荷安全因数为1.5时的位移云图,如图3所示。可见,最大位移发生在货叉尖部,最大位移值为85.5 mm。

外门架应力分布云图如图4所示。外门架最大应力产生于内门架滚轮与外门架接触的位置,最大应力值为322 MPa,小于门架材料Q345钢的屈服强度(345 MPa)。同时,应当注意到,在外门架横梁与外门架型钢焊接的部位有应力集中现象,应当在后续试验时加强检测和观察。

内门架应力分布云图如图5所示。内门架最大压应力产生于链轮轴附近,最大压应力值为431.88 MPa。内门架最大拉应力产生于内门架顶部横梁与内门架型钢焊接处,最大拉应力值为275.38 MPa,小于门架材料Q345钢的屈服强度(345 MPa),因此强度满足要求。

图3 叉车门架位移云图

图4 外门架应力分布云图

图5 内门架应力分布云图

4 结束语

笔者应用Unigraphics软件建立某型7 t叉车门架的三维实体模型,选取最恶劣工况,对其进行结构有限元分析。分析结果表明,所设计的叉车门架,其强度满足使用要求。所做研究为叉车门架的设计提供了参考。