基于Workbench的某型叉車車架開裂分析及優(yōu)化改進

陸 維，林 博，李樹青，覃柱仁

（廣西柳工機械股份有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

叉車車架是叉車最主要、最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件，前端連接著門架、貨叉架，中部安裝發(fā)動機，后端安裝配重，不僅承受著叉、裝貨物時產(chǎn)生的工作載荷，同時也承受著附件的重力以及在行駛過程中的各種沖擊載荷[1]。作為承載的關(guān)鍵部件，在設(shè)計的時候要充分考慮車架的可靠性。國內(nèi)、外制造叉車的企業(yè)在解決車架可靠性問題的時候通常是采用有限元的方法，對叉車的典型工況、極端工況進行有限元分析計算并優(yōu)化設(shè)計，然后通過場地試驗或者臺架試驗來驗證計算結(jié)果，從而解決車架的可靠性問題。本文針對叉車車架開裂的問題，通過有限元靜強度仿真分析和應(yīng)力測試試驗，優(yōu)化、改進車架局部結(jié)構(gòu)，在工程應(yīng)用上快速而有效地解決了車架開裂問題。

1 叉車車架開裂問題

某型叉車在進行現(xiàn)場作業(yè)測試時，發(fā)現(xiàn)車架出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，裂紋的具體位置在車架腹板和傾斜油缸支座焊縫連接處，如圖1所示，裂紋出現(xiàn)在焊趾附近，應(yīng)該是從腹板上邊緣開始出現(xiàn)，逐步向下擴展。該叉車現(xiàn)場測試的時間較短，初步判定是由于在某些極限工況下，該處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力過大，短時間內(nèi)產(chǎn)生裂紋，造成開裂失效[2]。為了找到車架開裂的原因和改進優(yōu)化的方案，對車架進行了有限元靜強度仿真分析和應(yīng)力測試試驗。

圖1 車架開裂

2 車架有限元靜強度仿真分析

2.1 叉車車架有限元模型建立

把叉車車架三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，為了簡化模型，提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和計算效率，首先把一些不影響車架強度的搭子、小部件刪除掉，然后去除小倒角、小孔之類的工藝特征[3]。然后采用實體單元自動劃分網(wǎng)格，軟件會根據(jù)部件的外形自動采用合適的單元類型，建立的車架有限元模型如圖2所示，模型共有734839個節(jié)點、287687單元。

圖2 車架有限元模型

2.2 施加邊界條件

車架主要分析的工況是車架傾斜油缸支耳承受最大載荷的工況，主要關(guān)注的是腹板開裂部位的應(yīng)力，并且把改進前后腹板開裂部位的應(yīng)力作對比，以此確定改進方案。

2.2.1 施加的載荷

通過油缸壓力可求出支耳受到的拉力。在車架的每個支耳上施加16500N的力，力的方向是沿著傾斜油缸的方向，如圖3所示。

圖3 施加的載荷

2.2.2 施加的約束

在前橋和后橋的安裝面施加固定約束，如圖4所示。

圖4 施加的約束

2.3 有限元分析結(jié)果

前車架應(yīng)力云圖，如圖5所示。通過云圖可看出車架腹板開裂處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力是264MPa，腹板的材料是Q235，超過了屈服極限，所以很容易發(fā)生開裂，與測試反饋開裂現(xiàn)象基本吻合。接下來可在這個分析模型的基礎(chǔ)上進行改進和優(yōu)化，降低開裂部位的應(yīng)力。

圖5 應(yīng)力云圖

3 車架優(yōu)化和改進

通過前面的仿真分析結(jié)果可初步判斷車架開裂是由于局部應(yīng)力集中造成的，所以車架優(yōu)化和改進方向是局部結(jié)構(gòu)加強，降低該部位的應(yīng)力，減小開裂的風(fēng)險。

3.1 改進方案一

向下增加支耳與腹板焊縫處的腹板寬度，如圖6所示，提高腹板前后方向的抗彎能力。

圖6 改進方案一

對改進后的模型進行有限元分析，按照之前的邊界條件進行加載，經(jīng)過計算，局部應(yīng)力降到了229MPa，如圖7所示。

圖7 方案一應(yīng)力云圖

3.2 改進方案二

向上增加支耳與腹板焊縫處的腹板高度，如圖8所示，提高腹板前后方向的抗彎能力。

圖8 改進方案二

對改進后的模型進行有限元分析，按照之前的邊界條件進行加載，經(jīng)過計算，局部應(yīng)力降到了136MPa，如圖9所示。

圖9 方案二應(yīng)力云圖

腹板的材料是Q235，其安全系數(shù)一般取1.5，那么腹板的許用應(yīng)力是157 MPa。經(jīng)過分析和對比，方案二的局部應(yīng)力降到了136 MPa，由此可見方案二是可行的，可作為產(chǎn)品實際改進方案。

4 實驗測試

為了驗證有限元分析的準(zhǔn)確性以及改進后的效果，對改進前后的車架進行了應(yīng)力應(yīng)變測試實驗，實驗采用的設(shè)備是eDAQ數(shù)據(jù)采集儀。

4.1 測點位置

在支耳與腹板連接焊縫的頂部，也就是開裂的初始位置貼應(yīng)變花，具體位置如圖10、11所示。

圖10 改進前貼片位置

圖11 改進后貼片位置

4.2 實驗數(shù)據(jù)與有限元分析數(shù)據(jù)對比分析

按照最大載荷工況進行實驗測試、采集數(shù)據(jù)，并與計算結(jié)果進行對比，結(jié)果見表1。

表1 實驗與計算結(jié)果對比

通過上表對比可知，以實驗應(yīng)力為準(zhǔn)，改進前計算應(yīng)力的誤差是3.5%，改進后是6.3%?？紤]到計算模型經(jīng)過簡化處理，以及有限元分析的邊界條件設(shè)置與實驗條件存在一定的差異，但誤差較小，在10%以內(nèi)，計算結(jié)果和實驗結(jié)果基本吻合。實驗驗證了有限元分析的準(zhǔn)確性，也證明改進有效。

5 結(jié)束語

本文運用Workbench對叉車車架進行靜強度分析，發(fā)現(xiàn)車架開裂部位存在應(yīng)力集中是造成車架開裂的主要原因。對車架進行局部改進和優(yōu)化，消除了應(yīng)力集中的問題，并形成了改進方案。通過實驗驗證了有限元分析的準(zhǔn)確性，也驗證了改進方案的可行性，有效地解決了車架開裂問題，延長了車架使用壽命，為解決此類問題提供了一種快速而有效的方法。