基于虛擬樣機技術的叉車轉向橋動靜態(tài)特性分析*

張增密，葉 俊，左改兵，吳 波，郭琰平

(安徽合力股份有限公司安慶車橋廠，安徽 安慶 246001)

0 引 言

叉車轉向橋主要由轉向橋體、連桿、轉向油缸、轉向節(jié)和轉向輪轂組成，如圖1所示為某公司設計研發(fā)的某型號叉車轉向橋結構示意圖。叉車轉向橋在叉車轉向過程中承受著復雜的交變載荷，設計過程中既要保證橋體具有足夠的強度、剛度和疲勞強度以及良好的結構性能，同時還要保證轉向橋體不會與外界環(huán)境產生共振現(xiàn)象[1]。因此，對轉向橋體進行基于虛擬樣機技術的動靜態(tài)特性分析對提高叉車運行的安全性、平穩(wěn)性具有十分重要的意義。

通常，國內外對于叉車轉向橋體的分析大部分還是采用傳統(tǒng)的理論計算分析和經驗分析，根據理論計算分析橋體的靜強度，對于動載荷一般采用理論計算乘以動載荷系數轉化為靜載荷計算分析，很難得到正確的分析結果[2]。本文創(chuàng)新之處采用虛擬樣機分析技術，基于ADAMS技術對叉車轉向橋進行多體動力學仿真分析，基于ANSYS Workbench技術對轉向橋體進行動靜態(tài)特性分析和研究。

圖1 轉向橋結構示意圖

1 轉向橋體力學模型

轉向橋在叉車行駛過程中，主要作用力有輪胎作用垂直向上的力F1、F2，轉向過程中作用在左右輪胎上側滑力T1、T2。對轉向橋進行強度分析時，基于ANSYS Workbench分兩種工況進行動靜態(tài)特性分析，叉車空載時轉向橋所受重力最大。

1.1 轉向橋力學計算分析

(1) 工況一：最大垂向力

叉車空載時，此時作用在轉向橋上的垂直力最大，由于在實際運行過程中，路面不平、輪胎彈性以及行駛速度等因素，應考慮載荷系數，本文載荷系數取3倍的最大載荷。

① 輪胎、主銷處受力分析計算

F=2F0；F0L=F1L1+F2L2；F1=F2

(1)

② 轉向橋體支撐軸處受力分析計算

F=F3+F4；F3L3=F4L4

(2)

1.2 基于虛擬樣機技術的多體動力學仿真

(2) 工況二：最大側滑力

叉車轉向過程中，在離心力的作用下，轉向橋的左右輪胎處于臨界側滑狀態(tài)，此時輪胎上的側滑力最大。由于該過程是一個復雜的受力過程，傳統(tǒng)的理論計算很難找到最大時刻的力和狀態(tài)。本文基于虛擬樣機ADAMS多體動力學仿真分析技術，可以得到叉車轉向橋在轉向過程中的位移、速度、加速度以及各構件之間的受力隨時間變化曲線關系[3]。如圖2(a)所示為左右側輪胎對轉向橋體的垂直作用力隨時間變化曲線；圖2(b)為左側輪胎所受側滑力隨時間變化曲線；圖2(c)為右側輪胎所受側滑力隨時間變化曲線。

圖2 多體動力學仿真分析

1.3 分析結果

(1) 工況一：最大垂向力

本文以某公司某型號叉車轉向橋為受力分析模型，根據該型號叉車參數，經過受力分析，得到地面對輪胎的作用力大小F0=28 665 N；主銷對轉向橋體主銷座的作用力F1=F2=44 779.05 N。橋體支撐軸處作用力大小F3=26 140.18 N，F(xiàn)4=31 189.82 N。

(2) 工況二：最大側滑力

如圖2(a)所示為轉向過程中，左側輪胎對橋體的垂直向上的力最大為28 601.96 N，右側輪胎對橋體的垂直向上的力最大為28 628.53 N。如圖2(b)所示為轉向過程中左輪胎側滑力，左側輪胎對橋體的X向側滑力最大為11 017.66 N，Y向側滑力最大為3 687.96 N。如圖2(c)所示為轉向橋過程中右輪胎側滑力，右側輪胎對橋體的X向最大側滑力為7 723.21 N；右側輪胎對橋體的Y向側滑力最大值為5 785.01 N。表1所列為兩種工況力參數。

表1 各工況受力參數

2 基于ANSYS Workbench靜力學分析

將轉向橋橋體模型導入ANSYS Workbench中。對其定義分析類型、網格劃分、施加約束和載荷、求解、分析結果[4]。如圖3所示為轉向橋體網格劃分圖。如圖4所示為轉向橋體約束和加載位置示意圖。

圖3 網格劃分 圖4 約束加載

根據ANSYS Workbench對叉車轉向橋體有限元分析，如圖5所示為工況一橋體變形云圖和應力云圖，得出橋體的最大變形0～0.921 mm之間，最大變形主要出現(xiàn)在上主銷座位置，橋體的最大應力值為263.07 MPa。如圖6所示為工況二轉向橋體變形云圖和應力云圖，得出橋體的最大變形0～0.805 mm之間，最大變形主要出現(xiàn)在右側上主銷座位置，橋體的最大應力值為294.25 MPa。

圖5 工況一有限元分析

圖6 工況二有限元分析

已知該轉向橋為鑄件轉向橋體，轉向橋體的材料為QT450，如表2所列為該材料的機械特性[5]。

表2 材料的機械性能 /MPa

依據GB10827-1999《機動工業(yè)車輛安全規(guī)范》，在叉車轉向橋體設計時，選取安全系數[n]=1.5[6]。根據設計要求，所設計轉向橋體安全系數n應大于許用安全系數[n]。

(3)

根據式(3)計算結果，工況一安全系數為n=1.71；工況二安全系數為n=1.53。該叉車轉向橋體的應力值在允許范圍內，滿足其強度設計要求。

3 基于ANSYS Workbench諧響應分析

諧響應分析的主要目的就是確定叉車轉向橋體結構的持續(xù)動力性能，使橋體避免因路面的固有頻率而強迫振動引起共振造成橋體破壞[7]。對轉向橋體的諧響應分析方法采用FULL法來分析。這種分析方法的優(yōu)點是可不考慮主自由度或振型的選取[8]。

結構在簡諧載荷作用下受迫振動的運動微分方程為[9]：

(4)

節(jié)點的位移響應為：

{X}={A}sin(θt+φ)

(5)

式中：{A}為位移幅值向量；φ為位移響應滯后激勵載荷的相位角。

將式(5)帶入式(4)可得到：

{A}=[-Mθ2sin(θt+φ)+Ksin(θt+φ)+

Bθcos(θt+φ)]-1.{F}sin(θt)

(6)

由式(5)可知設定一個頻率范圍和頻率步，得到相應的幅值與頻率之間的關系曲線，從曲線圖中找到峰值所對應頻率，再通過峰值對應的頻率求得該頻率下的應力值。

對轉向橋體求解在0～800 Hz頻率范圍內的諧響應分析，頻率載荷步長設置為10。如圖7所示為轉向橋體諧響應分析結果。由圖可知，在0～530 Hz頻率范圍內，轉向橋體變形隨著頻率的增大而增大，當頻率為530 Hz時，此時第一次引起轉向橋體的共振，轉向橋體變形頻率響應出現(xiàn)最大值，隨后在530～540 Hz這段范圍內出現(xiàn)下降趨勢，緊接著550～770 Hz范圍內又呈上升趨勢，達到770 Hz第二次達到頻率響應最大值。

圖7 橋體變形頻率響應曲線

在ANSYS Workbench中計算出第一次引起位移響應最大的頻率“峰值”530 Hz時對應的應力。求解應變和應力的大小變化。如圖8(a)所示，此時轉向橋體的最大應變?yōu)?.035～1.703 mm。如圖8(b)所示，此時轉向橋體的最大應力為711.37 MPa。

圖8 530 Hz頻率下橋體諧響應

通過以上分析，得出當頻率達到530 Hz時，引起的共振幅值達到最大。轉向橋體在叉車運行過程中，需要避免產生該頻率，以免發(fā)生共振現(xiàn)象，使得振幅過大破壞叉車轉向橋體破壞而導致叉車運行過程的平穩(wěn)性和安全性。

4 結 論

基于虛擬樣機技術，利用ADAMS對轉向橋進行多體動力學仿真分析，在此基礎上利用ANSYS Workbench對轉向橋體進行動靜態(tài)特性分析。

根據虛擬樣機技術的仿真分析結果，得出叉車轉向橋體實際情況下主要分為兩種工況。工況一主要受輪胎對橋體的垂直向上的作用力，此時橋體所受的最大應力為263.07 MPa，其強度安全系數為1.71。工況二主要是轉向橋轉向過程中受到最大側滑力作用，此時轉向橋體所受的最大應力為294.25 MPa，其安全系數為1.53。滿足GB10827-1999《機動工業(yè)車輛安全規(guī)范》設計標準，進而驗證了該轉向橋體的結構設計滿足安全性評估標準。

對該轉向橋體進行諧響應分析，得出該橋體在頻率為530 Hz時，應力頻率響應和變形頻率響應出現(xiàn)最大值，此時引起橋體的共振。在530 Hz頻率時，此時橋體的最大變形為0.035～1.703 mm，最大應力值為711.37 MPa。在此頻率下運行將引起橋體的共振，導致橋體結構發(fā)生很大程度上的破壞。實際使用過程中，由于路面不平引起的頻率為15～30 Hz，此橋體共振頻率遠遠大于路面頻率，不會與路面之間發(fā)生共振，故此橋體設計合理。

基于虛擬樣機技術的叉車轉向橋體有限元分析為叉車轉向橋體設計結構安全性評估，以及提高叉車運行過程中的平穩(wěn)性和安全性，提供了更可靠的理論依據和參照，對提高新產品設計水平和提升叉車可靠性都具有很好的借鑒意義。