基于有限元的叉車貨叉分析與設(shè)計

■ 南京環(huán)達(dá)裝飾工程有限公司 （江蘇南京 210000） 張 波

叉車是一種用于貨物裝卸、堆垛以及短途運輸?shù)奈锪习徇\工具。由于其可根據(jù)實際工作需要安裝相應(yīng)的屬具，機動性強，隨著物流業(yè)的發(fā)展，叉車得到越來越廣泛的應(yīng)用。叉車按其結(jié)構(gòu)部位和功能可分為貨叉（包括貨叉架）、門架、車架、護(hù)頂架、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等部件。其中，貨叉作為叉車的重要承載部件，直接承受貨物的載荷，其結(jié)構(gòu)性能直接影響叉車的使用安全。貨叉工作時受到交變應(yīng)力作用，極易產(chǎn)生疲勞破壞。國家標(biāo)準(zhǔn)對貨叉的強度和剛度有著嚴(yán)格的要求。

有限元法是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬，傳統(tǒng)的叉車設(shè)計大多依靠經(jīng)驗以及模型試驗的方法來驗證叉車的強度和剛度，隨著有限元技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的工程技術(shù)人員采用有限元的方法來提高設(shè)計效率，縮短產(chǎn)品研制的周期，降低成本。

本文采用UG軟件建立了某型7t叉車貨叉的三維實體模型，通過有限元法驗算其強度和剛度，為貨叉的設(shè)計提供了參考依據(jù)。

1. 貨叉三維模型

貨叉是叉車主要的受力部件，包括貨叉和支撐結(jié)構(gòu)（貨叉架）。叉車貨叉按其安裝方式可分為溝槽式貨叉和環(huán)眼式貨叉。溝槽式貨叉通過兩個楔形槽與貨叉架固定，環(huán)眼式貨叉通過叉柄上的圓孔與貨叉架上的固定軸相連，使用過程中貨叉可繞固定軸轉(zhuǎn)動。小噸位叉車多采用溝槽式貨叉，而大噸位叉車以環(huán)眼式貨叉為主。7t叉車貨叉采用環(huán)眼式貨叉，其三維模型如圖1所示。

貨叉工作時要承受較大的載荷，因此對其強度性能要求較高，一般由合金鋼45Cr鍛造而成。貨叉架采用Q235鋼板厚鋼板焊接而成。貨叉材料力學(xué)性能見表1。

圖1 某型7t叉車貨叉三維模型

表1 貨叉材料力學(xué)性能

2. 有限元分析模型

（1）網(wǎng)格劃分 采用四面體網(wǎng)格對貨叉進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，如焊縫位置，進(jìn)行適當(dāng)加密，以提高有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。而對于受力較小的部位，采用較大的單元尺寸，以提高計算的速度。采用BEAM單元模擬固定軸。劃分后的貨叉有限元模型如圖2所示。

圖2 貨叉有限元模型

（2）約束與載荷 根據(jù)貨叉的實際受力情況，在貨叉架的滾輪位置施加前后和左右方向的移動約束；在貨叉架鏈條位置施加上下方向的約束；釋放貨叉與連接軸的轉(zhuǎn)動自由度；在貨叉與貨叉架接觸位置添加接觸副。

本文采用靜力學(xué)分析的方法計算貨叉的強度，但是實際的貨叉受力過程是一個動態(tài)過程，因而需要在施加載荷的時候添加一個適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。這個安全系數(shù)一般取1.4,則7t叉車進(jìn)行靜力學(xué)分析時添加的載荷為：F＝7000×1.4×10＝98 000（N）。

3. 結(jié)果分析與討論

利用Nastran求解器對上述貨叉有限元模型進(jìn)行求解，得到7t貨叉在1.4倍安全系數(shù)載荷下的位移云圖如圖3所示。其最大位移發(fā)生在貨叉尖部，最大位移為62.31mm。

貨叉架應(yīng)力分布云圖如圖4所示。由圖4可知，貨叉架最大應(yīng)力位于貨叉安裝軸上方橫梁與立柱焊縫位置，最大應(yīng)力值為213MPa，小于貨叉架材料Q235的屈服強度235MPa，因而貨叉架的強度滿足使用要求。

貨叉的應(yīng)力分布云圖如圖5所示。貨叉的最大應(yīng)力位于貨叉根部轉(zhuǎn)彎處，為拉應(yīng)力，大小為664.57MPa，小于貨叉材料45Cr的屈服強度835MPa，因此強度滿足要求。

圖3 貨叉位移云圖

圖4 貨叉架應(yīng)力分布云圖

圖5 貨叉應(yīng)力分布云圖

4. 結(jié)語

本文采用UG NX軟件建立了某型7t貨叉的三維模型，并對其進(jìn)行了有限元結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。結(jié)果表明，所設(shè)計的貨叉強度和剛度滿足設(shè)計使用要求。為叉車貨叉的設(shè)計提供了參考依據(jù)。