基于ANSYS的叉車起重系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)輕量化及視野提升

石磊

摘要：叉車起重系統(tǒng)是位于叉車正前方的重要功能性承載部件，不僅需要必要強(qiáng)度和剛度，而且要求對司機(jī)前方的視野影響要越小越好。通過應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS，對某款叉車起重系統(tǒng)進(jìn)行有限元模型建模及對經(jīng)典工況的分析；再通過電測試驗(yàn)，驗(yàn)證有限元模型及邊界條件的正確性；最后通過對門架槽鋼截面及力學(xué)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化。在滿足強(qiáng)度、剛度不變的前提下，實(shí)現(xiàn)了門架自重減輕24Kg左右，視野提升15%以上的顯著效果。

關(guān)鍵詞：起重系統(tǒng)；CAE分析；電測試驗(yàn)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1? ?叉車舉升結(jié)構(gòu)與功能

起重系統(tǒng)作為叉車的重要功能性承載部件，它不僅僅承擔(dān)了如同人的“手臂”一樣強(qiáng)壯可靠、靈活多變的搬貨、舉貨、碼貨的基本功能，同時作為處于叉車最前端的工作裝置，還兼顧著為操控叉車運(yùn)行的駕駛員提供安全有效的視野保障職責(zé)。

其基本功能中的舉升功能是起重系統(tǒng)最重要的功能，它通過液壓缸垂直直線往復(fù)運(yùn)動，帶動鏈條、鏈輪組成的動滑輪機(jī)構(gòu)，牽引相關(guān)部件帶動載荷來實(shí)現(xiàn)這一功能。其中作為主要的受力支撐和運(yùn)動導(dǎo)向部件的槽鋼，組成了起重系統(tǒng)的門架框架結(jié)構(gòu)，是起重系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)。

圖1所示為本公司某款叉車的起重系統(tǒng)三維模型，所示結(jié)構(gòu)是叉車常規(guī)使用的三級全自由門架結(jié)構(gòu)，它包含外門架、中門架、內(nèi)門架、貨叉架、起升液壓缸、動滑輪鏈條牽引機(jī)構(gòu)。

2? ?門架槽鋼截面優(yōu)化必要性

起重系統(tǒng)機(jī)構(gòu)中對駕駛安全視野的主要因素就是門架槽鋼。它是起重系統(tǒng)最主要的承載部件，其本身占起重系統(tǒng)的自重的比重是最高的。所以其截面尺寸大小，直接決定了門架槽鋼占用的駕駛員前方視錐空間，其在叉車行駛過程或垂直舉升貨物的過程的任意時刻，對操作者的視野影響是最大的[1]。因此需要通過對門架槽鋼截面優(yōu)化，在保證整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能不改變的情況下，達(dá)到提高視野性能、降低自重的目的。

3? ?有限元分析的必要性

通過傳統(tǒng)的材料力學(xué)計(jì)算，只能對x、y、z三個方向的受力及彎曲應(yīng)力進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，然后進(jìn)行應(yīng)力合成。但實(shí)際上門架槽鋼的受力是非常復(fù)雜的，不僅包括x、y兩個方向的彎曲應(yīng)力、z向拉壓應(yīng)力，滾輪在槽鋼內(nèi)部x、y兩個方向且不經(jīng)過槽鋼截面型心的壓力形成的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，還包括這個兩個壓力在槽鋼內(nèi)產(chǎn)生的局部接觸彎曲、扭曲等復(fù)合應(yīng)力[2]。鑒于此，通過傳統(tǒng)力學(xué)方法計(jì)算，不能準(zhǔn)確計(jì)算出門架槽鋼截面的變化對整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響。而采用有限元分析可以全面的分析整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，但模型的精確度及加載方式是影響分析結(jié)果精度的重要因素，則需要一套可靠的檢測試驗(yàn)對其的準(zhǔn)確性的進(jìn)行檢驗(yàn)并對數(shù)模及邊界條件優(yōu)化。

4? ?有限元分析

4.1? ?有限元模型建立

采用的是大型通用有限元分析軟件ANSYS，對起重系統(tǒng)三維模型進(jìn)行離散化建模。模型主要采用solid單元。對于相鄰連接的部件根據(jù)模擬實(shí)際情況的需要，分別采用共節(jié)點(diǎn)、weld焊接單元及weld焊接單元加Shell41膜單元組合等3種方式處理。

門架支座和傾斜液壓缸支座兩部件需要約束的位置，采用rigid單元處理，門架需加載載荷位置則采用rbe3連接，以減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4.2? ?邊界條件確定

根據(jù)操控叉車的實(shí)際作業(yè)運(yùn)行情況，選取叉車典型工況對起重系統(tǒng)進(jìn)行CAE全面分析，則可以比較真實(shí)全面的了解門架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

其典型工況為偏載起升工況，即將額定重量貨物，置于叉車額定載荷中心500mm處，并位于門架中心面左右一側(cè)偏置100mm處，且隨起重系統(tǒng)起升到最高處，同時加以1.4倍動載系數(shù)。

偏載起升工況也是最惡劣的工況。門架所受載荷包括起重系統(tǒng)滾輪的x、y向壓力、起升液壓缸作用力、鏈條與鏈輪作用力以及門架自重載荷的影響。

根據(jù)起重系統(tǒng)與叉車車架及驅(qū)動橋的連接方式，分別加以兩處約束。約束門架兩傾斜液壓缸支座處y向的平動自由度，和右傾斜液壓缸支座處x向的平動自由度。約束右門架支座處x、y、z三向平動自由度，左門架支座處y、z兩向平動自由度。外門架有限元模型如圖2所示。

4.3? ?有限元分析應(yīng)力云圖

圖3為偏載起升工況下的門架應(yīng)力分布云圖，其應(yīng)力最大值為258.47MPa，位于槽鋼與傾斜液壓缸支座焊接處的后方。

5? ?電測試驗(yàn)

5.1? ?實(shí)驗(yàn)方法

采用非電量電測技術(shù)，測量起重系統(tǒng)上特定區(qū)域的靜態(tài)應(yīng)力值及其分布情況。通過與CAE仿真分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證建模方法及邊界條件的準(zhǔn)確度，確保后續(xù)的改進(jìn)化后的數(shù)模準(zhǔn)確性。試驗(yàn)時將測點(diǎn)設(shè)置于有限元分析的應(yīng)力和變形較大的8個區(qū)域。每個區(qū)域取1個測點(diǎn)共8個點(diǎn)。電測試驗(yàn)個別測點(diǎn)位置如圖4所示。

5.2? ?注意事項(xiàng)

電測試驗(yàn)同樣是在偏載起升工況的靜態(tài)下進(jìn)行，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)應(yīng)注意以下幾個要點(diǎn)：

貼應(yīng)變片前應(yīng)對被試件上各個測點(diǎn)位置進(jìn)行打磨、拋光處理。按照相關(guān)要求正確貼牢應(yīng)變片，并用膠帶固定保護(hù)，防止其意外損壞或松動脫落；全部貼完后，需再次逐個檢查，確保所有應(yīng)變片都連接正常。連接儀器通道，進(jìn)行調(diào)零，調(diào)平，確一切正常后進(jìn)行測試。

5.3? ?測試數(shù)據(jù)

為了消除測試過程測試誤差影響，共測試4次，取平均值。測量結(jié)果如表1所示，其中點(diǎn)8為檢驗(yàn)測試線路的輔助點(diǎn)，并不參與結(jié)果比較。

6? ?數(shù)據(jù)對比分析

將偏載起升工況下得到的電測數(shù)據(jù)平均值，與ANSYS有限元分析數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，實(shí)際測量的結(jié)果和有限元分析的結(jié)果在數(shù)值上是相當(dāng)?shù)?，且?yīng)力分布變化趨勢上也是一致的。由此可判定，所建立的有限元模型以及所采用的邊界條件是準(zhǔn)確、合理的。

7? ?改進(jìn)優(yōu)化方案及效果分析

7.1? ?改進(jìn)方案

采用的改進(jìn)優(yōu)化方案是將槽鋼翼板寬度減短6mm，腹板寬度增加10mm，腹板厚度相應(yīng)減小4mm。其他尺寸局部圓角、臺階等做小范圍相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整，改進(jìn)后的槽鋼截面慣性矩值與改進(jìn)前基本相當(dāng)，以保證門架結(jié)構(gòu)剛度不變。槽鋼截面如圖5所示。

7.2? ?改進(jìn)優(yōu)化效果分析

再按照上述同一工況，對優(yōu)化改進(jìn)后的門架，進(jìn)行相同有限元建模，并施加同樣的邊界條件進(jìn)行分析，得到改進(jìn)后的應(yīng)力值及應(yīng)力分布圖。改進(jìn)后偏載工況應(yīng)力分布見圖6。

然后對改進(jìn)后與改進(jìn)前相同單元的應(yīng)力值進(jìn)行比對，如表3所示。從比對表3中可知，槽鋼截面優(yōu)化后的改進(jìn)門架最大應(yīng)力數(shù)值由258.47MPa降至247.96MPa，且其他各對應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力值也相應(yīng)減小。

8? ?結(jié)束語

本文運(yùn)用ANSYS軟件，對叉車起重系統(tǒng)門架進(jìn)行有限元建模分析，并運(yùn)用電測技術(shù)試驗(yàn)，驗(yàn)證有限元模型及邊界條件制定的正確性。根據(jù)分析結(jié)果，對槽鋼截面及門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，再通過相同的建模方法及設(shè)置相同邊界條件，對改進(jìn)后門架進(jìn)行校驗(yàn)分析，從而得到以下結(jié)論：

改進(jìn)后的門架應(yīng)力整體趨勢呈現(xiàn)下降的情況，且應(yīng)力分布更趨于均衡合理，說明槽鋼材料的機(jī)械性能得到了充分利用。改進(jìn)后的門架總成總質(zhì)量減輕了24kg左右，降低成本的同時，又提升了叉車整機(jī)的載荷高位穩(wěn)定性。改進(jìn)后的門架因槽鋼翼板寬度變窄，駕駛員的前方視野提升了15%以上，盲區(qū)降低了10%左右，能有效提高整機(jī)駕駛安全性。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸植.叉車設(shè)計(jì)[M]機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

[2] 李萬全.ANSYS 14.5機(jī)械與結(jié)構(gòu)分析實(shí)例詳解[M].機(jī)械工

業(yè)出版社，2014.