叉車配重支架靜力學(xué)分析及優(yōu)化

摘要：叉車配重支架的靜力學(xué)性能直接影響著整機(jī)性能，因此叉車的配重支架設(shè)計在整車設(shè)計中占有重要地位，本文應(yīng)用有限元方法研究了10噸叉車配重支架的受力特性，并對原有叉車配重支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低了整機(jī)重量，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：物流機(jī)械 叉車車架 叉車尾架 靜力分析 優(yōu)化設(shè)計 有限單元法

0 引言

叉車配重支架承載著發(fā)動機(jī)、平衡重等關(guān)鍵部件，承受作用在其上各種力和力矩，其剛度強(qiáng)度也影響著整機(jī)的性能，由于叉車的工況比較復(fù)雜，同時配重支架的受力情況也相對復(fù)雜，無法利用數(shù)學(xué)方法對其受力情況進(jìn)行精確的計算，因此隨著計算機(jī)的發(fā)展，利用有限元方法已成為國內(nèi)外解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)靜力分析的重要手段，并能大大的縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

1 叉車配重支架有限元模型的建立

叉車配重支架有限元模型的建立是對模型進(jìn)行有限元計算的基礎(chǔ)，也是能否計算出準(zhǔn)確結(jié)果的關(guān)鍵。

1.1 建立實(shí)體模型

本文研究的叉車配重支架是由很多鋼板經(jīng)焊接組成的，利用ProE軟件繪制叉車配重支架模型，并對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，從而縮短計算時間，降低計算成本。

將簡化好的配重支架模型利用stp接口導(dǎo)入到ansys workbench環(huán)境中，如圖1所示：

1.2定義材料屬性

叉車配重支架材料一般為Q235和Q345，除左右兩側(cè)板材料為Q345外其余均為Q235，許用應(yīng)力分別為235Mpa和345Mpa。

1.3劃分網(wǎng)格

尾架模型利用CAE分析軟件自動化分網(wǎng)格，劃分后共有18013個節(jié)點(diǎn)，4905個單元。

2 添加邊界條件并施加載荷

2.1 邊界條件

根據(jù)叉車配重支架的實(shí)際受力情況，可將配重支架與左右車架焊接的部位視為固定鉸支座。

2.2 施加載荷[1]

叉車的配重支架主要承受來自發(fā)動機(jī)、水箱、配重等關(guān)鍵部件的力和力矩，受力情況比較復(fù)雜。為了降低分析難度，提高分析精度可根據(jù)叉車整機(jī)在不同工況下前后橋的載荷分布情況對配重支架進(jìn)行受力分析。滿載時后橋受力約為整機(jī)重量的10%，空載時后橋受力約為整機(jī)重量的60%，該10噸叉車整機(jī)重量為12.8t，經(jīng)計算滿載時后橋受力大小約為2.28噸，空載時后橋受力約為7.86噸，叉車工作時另一種極限工況是叉車在受到?jīng)_擊載荷時后橋脫離地面的情況，此時后橋不受力僅有主副配重作用到配重支架上，配重支架所受合力大約為4.7噸，根據(jù)以上分析只要配重支架在空載以及后橋在受到?jīng)_擊載荷剛好離開地面這兩種危險工況下符合強(qiáng)度要求即可滿足叉車配重支架設(shè)計要求。

以上兩種工況下配重支架所受的載荷如表所示：

3 配重支架危險工況下有限元分析[5]

經(jīng)對車架有限元模型的網(wǎng)格，載荷以及邊界條件進(jìn)行仔細(xì)的檢查無誤后，對其進(jìn)行后處理求解分析，利用系統(tǒng)的“自動”求解算法進(jìn)行求解分析。

根據(jù)有限元分析得出空載工況和后橋剛離開地面兩種危險工況下的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖。

4 結(jié)果分析

在空載狀態(tài)下配重支架的最大應(yīng)力在左右支撐板的焊縫處為94.365Mpa，此最大應(yīng)力是由于添加焊縫造成的，可忽略，因此最大應(yīng)力出現(xiàn)在左右主板橫截面變化較大處，約為64Mpa，最大變形量出現(xiàn)在配重支架主板附近為0.42006mm，出當(dāng)后橋剛好離開地面時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在配重掛耳處為69.274MPa，最大變形量也出現(xiàn)在配重支架掛耳處為0.49569mm。

根據(jù)叉車的受力情況可知，有限元分析結(jié)果與預(yù)測結(jié)果是相符的。

4.1 強(qiáng)度校核[1、2]

由分析結(jié)果可知，配重支架在兩種危險工況下最大應(yīng)力分別為64MPa和69.274Mpa，遠(yuǎn)小于左右主板和配重掛耳所用材料Q345鋼的屈服極限345Mpa，根據(jù)安全系數(shù)計算公式 ，可計算處兩種工況下的安全系數(shù)分別為5.39和4.98，對于配重支架，當(dāng)n>2.5時，說明在該工況下是符合強(qiáng)度要求的，否則就有可能發(fā)生強(qiáng)度破壞，本文研究的車架安全系數(shù)均小于2.5，因此配重支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

以上配重支架符合剛度強(qiáng)度要求，但是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，無疑增加了焊接成本、工藝難度和材料成本，為減小以上弊端增加產(chǎn)品利潤，根據(jù)受力云圖受力趨勢對以上配重支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化，簡化后的模型如圖2所示。

用同樣的載荷以及網(wǎng)格自動劃分的方法建立有限元模型，并對模型在以上兩種危險工況下進(jìn)行有限元分析。

經(jīng)分析，兩種危險工況下配重支架受到的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在左右兩側(cè)主板橫截面變化最大的地方，并且都不滿足設(shè)計要求。因此在不影響整機(jī)安裝的情況下對該板的寬度進(jìn)行優(yōu)化。

對左右兩側(cè)主板最小截面的寬度進(jìn)行優(yōu)化，不同寬度變化，配重支架所受的最大應(yīng)力如表3所示：

從優(yōu)化結(jié)果可以看出，尾架的最大應(yīng)力與左右兩主板的寬度有直接關(guān)系，寬度從200mm增大到320mm，最大應(yīng)力在逐漸減小，280mm以后應(yīng)力變化不大。因此經(jīng)優(yōu)化以后板的寬度更改為280mm。

經(jīng)優(yōu)化以后，除焊縫外最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置與預(yù)測結(jié)果相符，兩種危險工況下的安全系數(shù)分別為n=4.36和n=5.75分別符合配重支架的強(qiáng)度設(shè)計要求。

經(jīng)簡化以后叉車配重支架的受力情況優(yōu)于簡化以前，配重支架的重量從簡化前的513Kg降為簡化后的403Kg。不僅簡化了工藝難度還降低了生產(chǎn)成本，達(dá)到了期望的目的。

6 結(jié)語

有限元分析可以用于叉車的前期設(shè)計，通過分析結(jié)果可以提前發(fā)現(xiàn)問題，并能簡化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計，降低成本，縮短開發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶元芳，衛(wèi)良寶 叉車構(gòu)造與設(shè)計[M]機(jī)械工業(yè)出版社 2010.2.1

[2]楊玉棟，李立順，張成林，李國偉 基于UG的折疊式叉車車架有限元靜態(tài)分析[J] 科學(xué)技術(shù)與工程 2009

[3]浦廣益 ansys Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M] 水利水電出版社 2013

[4]劉鴻文 材料力學(xué)[M] 高等教育出版社 2004＼

[5]薛大維，趙雨旸 客車車架有限元靜力學(xué)分析[J] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報 2006

作者簡介：周偉偉，女，中級工程師、助教，1984年10月出生、碩士學(xué)位，單位：淄博職業(yè)學(xué)院汽車工程系，單位所在地：山東淄博，