VDI循環(huán)下的叉車貨叉疲勞優(yōu)化及試驗驗證

孟令利，劉顯貴，畢成亞

(1.廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024;2.林德(中國)叉車有限公司，福建 廈門 361009)

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VDI循環(huán)下的叉車貨叉疲勞優(yōu)化及試驗驗證

孟令利1，劉顯貴1，畢成亞2

(1.廈門理工學院機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024;2.林德(中國)叉車有限公司，福建 廈門 361009)

針對某型3.5t叉車貨叉疲勞斷裂問題，在建立貨叉有限元模型基礎上，運用形狀優(yōu)化法對貨叉進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使貨叉在質(zhì)量沒有增加的情況下，最大應力降低了18.86%.再以靜態(tài)分析結(jié)果為基礎，以VDI(德國工程師協(xié)會)循環(huán)實測的載荷譜為依據(jù)，基于Miner疲勞理論，對優(yōu)化前后的貨叉有限元模型進行疲勞模擬分析，優(yōu)化后的貨叉壽命是優(yōu)化前的1.93倍,疲勞試驗結(jié)果滿足企業(yè)要求.

叉車貨叉；循環(huán)工況；疲勞斷裂；形狀優(yōu)化

貨叉作為叉車的承載部件，工作時承受交變載荷作用，極易產(chǎn)生疲勞斷裂，叉車貨叉的安全可靠已成為設計師面臨的關鍵問題.目前疲勞研究主要集中在汽車結(jié)構(gòu)件上[1-5]，而對叉車部件的疲勞研究卻相對較少；文獻[6]中利用有限元法分析比較了貨叉根部兩種不同內(nèi)外徑組合的應力情況；文獻[7]利用AnsysWorkbench中的Fatigue模塊對某型貨叉進行了疲勞壽命分析；文獻[8]利用AnsysWorkbench有限元分析軟件對貨叉進行了靜力學分析，得到2t叉車貨叉在滿載工況下的應力和變形.以上文獻在疲勞計算，確定加載載荷譜時，未能與實際工況相結(jié)合，相關結(jié)論可能會與實際工況下疲勞可靠性有較大偏差.文獻[9]對路面隨機激勵下驅(qū)動橋殼的疲勞可靠性進行分析和優(yōu)化；文獻[10]提出了隨機載荷作用下風電齒輪箱軸承疲勞壽命預測方法，都說明用實測載荷譜進行分析和試驗的結(jié)果與實際情況較為吻合.

本文基于德國工程師協(xié)會規(guī)定的叉車試驗VDI循環(huán)工況，在對優(yōu)化后的貨叉進行靜態(tài)特性分析的基礎上，對VDI實際循環(huán)工況下測得的載荷譜進行分析和試驗，運用Miner疲勞理論，基于nCodeDesignLife對優(yōu)化前后的貨叉疲勞模擬計算，最后結(jié)合實際進行試驗驗證，結(jié)果表明優(yōu)化后的貨叉在質(zhì)量不變的情況下，根部應力大幅降低，疲勞壽命顯著增加.

1 貨叉結(jié)構(gòu)優(yōu)化

表1 貨叉材料參數(shù)Table1 Forkmaterialparameters名稱參數(shù)材料20Cr彈性模量/MPa206000泊松比0.254抗拉強度/MPa835屈服強度/MPa540

初始貨叉做疲勞試驗時，在第637 856次時斷裂.為了與試驗情況相一致，本文把貨叉裝在貨叉架上進行靜態(tài)模擬分析，貨叉的材料參數(shù)如表1所示.把在UG中建立的三維模型導入到Hyperwork軟件中，對模型進行處理，貨叉和貨叉架全部采用實體單元劃分網(wǎng)格，單元網(wǎng)格尺寸為5mm，模型總共劃分為310 815個單元和365 103個節(jié)點.按照實際試驗情況，貨叉架上的滾輪只約束X、Y方向的移動和X、Z方向的轉(zhuǎn)動，而鏈條安裝位置只約束Z方向的移動，

采用RBE3集中加載，加載點距離貨叉根部500mm，安全系數(shù)為1.5，所以3.5t的貨叉加載為52.5kN.建立的貨叉有限元模型如圖1所示.

由圖2可知，經(jīng)過9次迭代后優(yōu)化結(jié)束，得到的最大應力為203.932MPa，優(yōu)化前后的貨叉應力云圖如圖3所示，可知貨叉的最大應力降低了18.86%，經(jīng)測量質(zhì)量減少了0.01kg，從而實現(xiàn)了在質(zhì)量沒有增加的情況下，使貨叉承受的最大應力大幅降低的目標.

2 貨叉的疲勞分析

為使模擬計算與叉車貨叉實際工況一致，本文在VDI規(guī)定的循環(huán)工況下，利用動態(tài)應變儀測得貨叉實際所受的載荷譜，用于加載模擬計算，該儀器在測量載荷時可精確到1N，在上述工況下，叉車載著額定質(zhì)量的重物經(jīng)歷了加速、減速和制動等工況，貨叉經(jīng)歷了載著貨物隨車運動、載貨上升及載貨下降.當貨叉加速上升時，處于超重狀態(tài)，貨叉所受的載荷大于額定載荷.由于上升過程存在振動，所以力會波動.在載貨隨車運動的過程中，由于路面顛簸，貨叉所受的載荷在額定載荷附近上下波動.當貨叉下降時，處于失重狀態(tài)，貨叉所受的力小于額定載荷，下降過程中也會受到振動，所以力也會波動，測得的載荷譜如圖4所示.以此載荷譜作為模擬計算和試驗的依據(jù).

利用Miner疲勞論，采用Goodman修正法，得到的貨叉材料S-N曲線如圖5所示，將優(yōu)化前后的Hyperwork靜態(tài)分析結(jié)果導入到nCodeDesignLife軟件中，以上述測得實際載荷譜為模擬計算的載荷譜進行疲勞壽命模擬計算，得到優(yōu)化前后的貨叉的疲勞壽命如圖6所示，優(yōu)化前的壽命為797 300次，優(yōu)化后的壽命為1 536 100次，優(yōu)化后疲勞壽命是原來的1.93倍.由于貨叉材料本身存在缺陷以及焊接和應力集中等因素的影響，所以分析的壽命要大于試驗壽命.

3 疲勞試驗驗證

3.1 實驗過程

本疲勞試驗設備為日本鷺宮制作所生產(chǎn)的DynamicServoFatigueTester，由動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和加載機構(gòu)組成.為了使試驗與貨叉實際工況相一致，將貨叉安裝在貨叉架上，貨叉架裝在工裝的卡槽中進行試驗.加載點距離貨叉根部為500mm，試驗裝置如圖7所示.為了縮短試驗時間，將前文所述試驗測得的載荷譜進行等效損傷處理.試驗在疲勞試驗室中進行，無外界干擾，試驗時的氣溫在25 ℃左右，加載頻率為1Hz.

3.2 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如圖8所示：優(yōu)化后，貨叉進行了100萬次疲勞試驗，未發(fā)生疲勞斷裂，滿足設計要求.

4 結(jié)論

1)通過對貨叉結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，使貨叉在質(zhì)量沒有增加的情況下，靜態(tài)最大應力降低了18.86%；

2)以實測載荷譜作為疲勞模擬計算的載荷譜，模擬結(jié)果表明優(yōu)化后貨叉的疲勞壽命是優(yōu)化前的1.93倍，優(yōu)化后貨叉進行疲勞試驗，試驗結(jié)果滿足設計要求；

3)本優(yōu)化設計方法，對貨叉結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計具有一定的參考價值.

[1]肖志金，朱思洪.基于虛擬樣機技術的輕型載貨汽車車架疲勞壽命預測方法[J].機械設計，2010,27(1)：59-63.

[2]朱才朝，張偉敏，喬莉，等.摩托車車架系統(tǒng)疲勞強度分析及壽命預估[J].汽車工程，2007，29(10)：900-904.

[3]王顯會，石磊.某特種車架在沖擊載荷下的瞬態(tài)響應分析及疲勞壽命評估研究[J].汽車工程，2009,31(8)：769-773..

[4]李成林，宋莎莎，韓振南.基于nCodeDesign-Life的某車車架疲勞可靠性分析[J].圖學學報，2014,35(1)：42-45.

[5]朱濤，宋健，李亮.基于實測載荷譜的白車身疲勞壽命計算[J].汽車技術，2009(5)：8-11.

[6]李歡，寧旺云，唐秀英，等.叉車貨叉的有限元分析及優(yōu)化[J].機械制造，2014(5)：24-27.

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[8]張衛(wèi)亮，劉明君，張宸.基于Workbench的叉車貨叉有限元分析[J].起重運輸機械，2014(12)：95-97.

[9]盧劍偉，王馨梓，吳唯唯.路面隨機激勵下輕型貨車驅(qū)動橋殼疲勞可靠性分析[J].汽車工程，2016,38(1)：122-126.

[10]安宗文，胡敏，劉波.隨機載荷作用下風電齒輪箱軸承疲勞壽命預測方法[J].蘭州理工大學學報，2016,42(1)：35-39.

(責任編輯 宋 靜)

Optimization and Verification of the Lift Fork Fatigue in VDI Cycle Test

MENG Lingli1，LIU Xiangui1，BI Chengya2

(1.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024,China；2.Linde(China)ForkliftTruck,Xiamen361009,China)

Shapeoptimizationwascarriedtoacertaintypeof3.5tforkliftforkbasedonafiniteelementmodelinordertoimproveitsfatiguefracture.Theoptimizationreduced18.86%ofthemaximumstressoftheforkwithoutincreaseofweight.Basedonthisstaticanalysis,afatiguesimulationanalysiswasthenconductedtotheun-optimizedandoptimizedforksunderMiner’sRuleaccordingtotheloadspectrummeasuredbytheAssociationofGermanEngineers(VDI).Fatiguetestshaveprovedthatthefatiguelifeoftheoptimizedforkis1.93timesthatoftheun-optimizedone,meetingtheneedsoftheindustry.

forkliftfork；cyclecondition；fatiguefracture;shapeoptimization

2016-07-18

2016-09-11

孟令利(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為車輛零部件疲勞壽命.通訊作者：劉顯貴(1973-)，男，教授，博士，研究方向為汽車設計.E-mail:lxguiduc_3162@163.com

TH

A

1673-4432(2016)05-0046-05