運(yùn)用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼對工程叉車外門架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)

李永梅

【摘要】本文對某3t平衡重式內(nèi)燃叉車外門架進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，基于第三強(qiáng)度理論對外門架進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，選取滿足設(shè)計(jì)要求的Q550高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材料進(jìn)行建模，并對輕量化設(shè)計(jì)后的模型進(jìn)行強(qiáng)度校核。結(jié)果表明，采用高強(qiáng)度鋼材料的外門架設(shè)計(jì)模型滿足工作性能需求，比原叉車外門架減重約12%。

【關(guān)鍵詞】輕量化設(shè)計(jì)；有限元分析；叉車外門架；高強(qiáng)度鋼

The use of high-strength structural steel engineering truck outside the door frame were lightweight design

Li Yong-mei

（Hebei Zhicheng Construction Co.， Ltd Handan Hebei 056000）

【Abstract】In this paper， a 3t internal combustion counterbalanced forklift mast outside static finite element analysis， statics calculation is based on the third strength theory external door frame， select meet the Q550 high-strength structural steel design requirements modeling， and light after quantitative model designed strength check. The results showed that the use of high-strength steel outer door frame design model to meet the performance needs， the outer door frame than the original truck weight loss of about 12%.

【Key words】Lightweight design；Finite element analysis；Truck outside door frame；High strength steel

1. 前言

（1）叉車是流動性裝卸搬運(yùn)機(jī)械，廣泛應(yīng)用于物料的裝卸和搬運(yùn)作業(yè)。叉車門架是主要的作業(yè)及承重機(jī)構(gòu)。對叉車外門架開展輕量化設(shè)計(jì)，不但可以減少門架結(jié)構(gòu)的自身質(zhì)量，而且叉車配重也會隨之減小。同時，研究叉車外門架的輕量化設(shè)計(jì)方法對于減輕門架系統(tǒng)及整機(jī)質(zhì)量，提高門架系統(tǒng)強(qiáng)度具有實(shí)際意義。

（2）本文基于ANSYS WORKBENCH有限元分析軟件對叉車外門架進(jìn)行強(qiáng)度分析，并進(jìn)一步采用新材料對外門架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核，確保輕量化設(shè)計(jì)模型滿足工作要求。

2. 外門架有限元分析

叉車裝卸物料時，載荷通過貨叉、叉架和內(nèi)門架滾輪傳遞到外門架，因此外門架在作業(yè)過程中存在應(yīng)力集中。本文通過對叉車外門架進(jìn)行正載載重25 KN和30 KN工況的有限元分析，確定外門架應(yīng)力集中位置，為進(jìn)一步輕量化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.1 叉車外門架有限元模型的建立。

采用Solidworks軟件對某3t內(nèi)燃平衡重式叉車外門架建立實(shí)體模型，如圖1所示，主要包括立柱、上橫梁、中橫梁、下橫梁、掛鏈座和液壓缸固定板等部件。為了保證外門架有限元分析過程中計(jì)算的準(zhǔn)確性，在建立模型的過程中進(jìn)行了簡化處理，去掉了不必要的零件及特征，忽略對整體力學(xué)性能影響較小的幾何細(xì)節(jié)，獲得簡化后外門架結(jié)構(gòu)。主要尺寸如下：外門架高1880 mm、寬670mm，外門架滾輪高度1820mm，貨叉無外伸時載荷中心距貨叉前面板550mm，貨叉外伸時載荷中心距貨叉前面板1070mm，傾斜液壓缸高度940mm（外圍架三維模型見圖1）。

2.2 叉車外門架有限元分析。

將簡化后的外門架三維模型導(dǎo)人ANSYSWORKBENCH中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分、添加約束和載荷，最后進(jìn)行分析。

2.2.1 劃分網(wǎng)格。

選用單元類型為20個節(jié)點(diǎn)的186單元，采用掃掠為主的網(wǎng)格劃分方法，對外門架及附屬部件實(shí)體幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲得了以六面體網(wǎng)格為主的較為理想的網(wǎng)格模型，如圖2所示。該模型單元總數(shù)為37036個，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為193578個（外圍架網(wǎng)格劃分圖見圖2）。

2.2.3 有限元計(jì)算。

分析兩種正載工況下（25 KN和30 KN）外門架的應(yīng)力情況，如圖4、圖5所示。結(jié)果表明，叉車外門架應(yīng)力集中于立柱腹板和翼緣位置，其中最大應(yīng)力值和最大應(yīng)變值如表1所示。

對外門架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，保證輕量化設(shè)計(jì)模型的鏈條連接處的翼緣與腹板連接部位滿足強(qiáng)度要求，則輕量化設(shè)計(jì)符合要求。因此針對立柱翼緣與腹板連接部位的應(yīng)力集中處進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)計(jì)算，并以與原模型相同的工況對其進(jìn)行有限元分析。

3. 叉車外門架輕量化建模

（1）叉車夕外門架輕量化建模通過對工程機(jī)械用鋼查詢、統(tǒng)計(jì)和應(yīng)用的綜合考慮，選取高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q460和Q550對叉車外門架輕量化建模。通過計(jì)算得到選用不同強(qiáng)度鋼材料時的腹板和翼緣的厚度，如表2所示。由表2可知，采用高強(qiáng)度鋼Q550時，叉車外門架質(zhì)量較原來減少33 Kg，約12%。

（2）在保證外門架與其他連接部件的安裝位置和定位尺寸大小不變的前提下，根據(jù)計(jì)算厚度采用Solidworks軟件建立外門架三維模型，如圖8所示。

4. 輕量化后叉車外門架有限元分析

將輕量化后的外門架模型導(dǎo)人ANSYSWORKBENCH中，在與原模型相同的分析工況下對輕量化的外門架模型進(jìn)行有限元

分析。首先，對輕量化模型做必要簡化，去除不影響受力的倒角、小孔等特征，接著對輕量化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該方式與上文原模型的網(wǎng)格劃分方式相同，在與原模型相同的部位添加約束及大小、方向相同的載荷，最后對輕量化后的外門架進(jìn)行載重30 KN工況下的有限元分析，分析結(jié)果如圖9所示。最大復(fù)合應(yīng)力位于立柱腹板的滾輪安裝處的下端，大小為327.41MPa，最大變形6.6355mm。

由分析結(jié)果可知：

（1）輕量化后外門架應(yīng)力集中位置的最大復(fù)合應(yīng)力值為。327.41MPa，小于材料的許用應(yīng)力366.67MPa，因此滿足外門架工作需求，同時外門架仍有輕量化的空間，可對外門架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減輕質(zhì)量。

（2）輕量化后外門架的最大變形在材料屬性允許范圍內(nèi)，并未對外門架造成破壞，滿足該有限元分析工況的需求。

（3）正載30KN時，輕量化后外門架的應(yīng)力均未超出高強(qiáng)度鋼材料的屈服強(qiáng)度和許用應(yīng)力，因此采用550MPa的高強(qiáng)度鋼替代原模型材料進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)是可行的。

5. 結(jié)論

本文采用屈服強(qiáng)度為550MPa的高強(qiáng)度鋼對3T內(nèi)燃式叉車外門架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，建立了輕量化外門架三維模型并進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明，采用高強(qiáng)度鋼對叉車外門架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)后外門架滿足強(qiáng)度要求，降重可達(dá)12%；同時經(jīng)成本測算，輕量化后叉車在使用中節(jié)約的能耗也遠(yuǎn)大于新材料增加的成本。因此，采用高強(qiáng)度鋼替代原模型材料進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)具有可行性，為工程機(jī)械輕量化設(shè)計(jì)提供了一種新思路，有助于工程機(jī)械實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。endprint