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1 研究背景

叉車是一種用于裝卸貨物、堆垛及短途運輸?shù)奈锪习徇\工具。由于可根據(jù)實際工作需要安裝相應(yīng)的屬具,機動性強,因此隨著物流業(yè)的發(fā)展,叉車得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。叉車包括貨叉架、門架、車架、護頂架、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等部件。其中,門架作為叉車的主要受力部件,其結(jié)構(gòu)性能直接影響叉車的使用安全。門架工作時受到交變應(yīng)力的作用,極易產(chǎn)生疲勞破壞[3-4]。

有限元方法是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)的幾何和載荷工況進行模擬,廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)、流體、傳熱和電磁分析等領(lǐng)域[5]。傳統(tǒng)的門架設(shè)計大多依靠經(jīng)驗及模型試驗的方法來驗證門架的強度和剛度[6],而隨著有限元技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,越來越多的工程技術(shù)人員采用有限元方法來提高設(shè)計效率,縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期,減少研制成本[7-11]。

筆者應(yīng)用Unigraphics軟件建立某型7 t叉車門架的三維實體模型,通過有限元方法來分析叉車門架的強度和剛度,為門架的設(shè)計提供參考。

2 門架三維建模

門架是叉車主要的受力部件。外門架的下部鉸接到車架或前橋上,通過外門架中部或上部的油缸控制門架的前傾和后仰。叉車可根據(jù)使用場合和高度選用二級或三級門架。門架和貨叉架一般采用液壓油缸結(jié)合鏈條起升。某型7 t叉車采用二級門架,其內(nèi)門架采用一組液壓油缸提升,貨叉架采用鏈條提升,三維模型如圖1所示。

圖1 叉車門架三維模型

由于門架工作時要承受較大的載荷,因此其強度性能要求較高,一般由Q345鋼和鋼板焊接而成。Q345鋼的彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,屈服強度為345 MPa。

3 有限元分析

3.1 網(wǎng)格劃分

采用四面體網(wǎng)格對門架進行網(wǎng)格劃分。對于容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位,如焊縫位置等,適當(dāng)?shù)丶用芫W(wǎng)格,以提高有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。對于受力較小的部位,如門架未焊接的部分、貨叉架等,采用較大的網(wǎng)格尺寸,以提高計算的速度。

油缸和鏈條不是門架結(jié)構(gòu)有限元分析的重點,僅起到傳遞力和載荷的作用,因此分析時可采用梁單元代替油缸和鏈條。采用梁單元代替油缸和鏈條時,必須根據(jù)油缸和鏈條實際的工況釋放其自由度,否則門架的受力情況與實際情況不符,影響分析的準(zhǔn)確性。滾輪與門架間是滾動摩擦,鋼與鋼之間的滾動摩擦因數(shù)為0.05,采用接觸單元連接。網(wǎng)格劃分后的門架有限元模型如圖2所示。

3.2 約束與載荷施加

根據(jù)門架的實際受力情況,在門架鉸接位置施加前后、左右、上下方向的移動約束和前后、上下方向的轉(zhuǎn)動約束,在油缸與車架連接的位置施加與上述相同的約束。

圖2 叉車門架有限元模型

采用靜力學(xué)分析的方法計算門架的強度。門架在不同工況下的受力情況各不相同,只考慮最惡劣的工況,即貨叉架滿載達到最大起升高度且門架前傾至最大角度。同時,叉車工作是一個動態(tài)的過程,因而需要在施加載荷時添加一個適當(dāng)?shù)妮d荷安全因數(shù),這個安全因數(shù)一般取1.5[7]。由此,7 t叉車進行靜力學(xué)分析時添加的載荷為7 000×1.5×10=105 000 N。

3.3 分析結(jié)果

前處理完成后,進入Unigraphics軟件高級仿真模塊進行有限元分析計算。利用Nastran求解器對上述叉車門架有限元模型進行求解,解算方案類型選擇SOL 101 Linear Statics-Global Constraints。為提高求解速度,打開單元迭代求解器。接觸參數(shù)設(shè)置時,滾動摩擦因數(shù)為0.05,法向懲罰因子為1,切向懲罰因子為0.1。設(shè)置完成后,即可提交進行求解分析。

分析完成后,進入后處理模塊查看分析結(jié)果,得到7 t叉車門架在載荷安全因數(shù)為1.5時的位移云圖,如圖3所示?？梢?最大位移發(fā)生在貨叉尖部,最大位移值為85.5 mm。

外門架應(yīng)力分布云圖如圖4所示。外門架最大應(yīng)力產(chǎn)生于內(nèi)門架滾輪與外門架接觸的位置,最大應(yīng)力值為322 MPa,小于門架材料Q345鋼的屈服強度(345 MPa)。同時,應(yīng)當(dāng)注意到,在外門架橫梁與外門架型鋼焊接的部位有應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)當(dāng)在后續(xù)試驗時加強檢測和觀察。

內(nèi)門架應(yīng)力分布云圖如圖5所示。內(nèi)門架最大壓應(yīng)力產(chǎn)生于鏈輪軸附近,最大壓應(yīng)力值為431.88 MPa。內(nèi)門架最大拉應(yīng)力產(chǎn)生于內(nèi)門架頂部橫梁與內(nèi)門架型鋼焊接處,最大拉應(yīng)力值為275.38 MPa,小于門架材料Q345鋼的屈服強度(345 MPa),因此強度滿足要求。

圖3 叉車門架位移云圖

圖4 外門架應(yīng)力分布云圖

圖5 內(nèi)門架應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)束語

筆者應(yīng)用Unigraphics軟件建立某型7 t叉車門架的三維實體模型,選取最惡劣工況,對其進行結(jié)構(gòu)有限元分析。分析結(jié)果表明,所設(shè)計的叉車門架,其強度滿足使用要求。所做研究為叉車門架的設(shè)計提供了參考。