基于ANSYS的叉車外門架結(jié)構(gòu)有限元分析

齊善朋 岳君

摘 要：文章建立了某型號(hào)2.5T叉車門架的三維模型，分析外門架的工作狀態(tài)以及受力情況，并導(dǎo)入Ansys-workbench有限元分析軟件，經(jīng)過分析得出最不利工況下門架的應(yīng)力、位移等詳細(xì)數(shù)據(jù)，為叉車外門架的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)有力的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：叉車；外門架；有限元分析

叉車是現(xiàn)在人們常用的搬運(yùn)設(shè)備之一，是成件托盤貨物過程中進(jìn)行裝卸、堆垛和短距離運(yùn)輸以及重物搬運(yùn)作業(yè)的常用搬運(yùn)車輛。它廣泛應(yīng)用于港口、車站、機(jī)場(chǎng)、貨場(chǎng)、工廠車間、倉(cāng)庫(kù)、流通中心以及配送中心等，并可進(jìn)入船艙、車廂和集裝箱內(nèi)進(jìn)行托盤貨物的裝卸、搬運(yùn)作業(yè)，是托盤運(yùn)輸、集裝箱運(yùn)輸中必不可少的設(shè)備。叉車的門架屬于工作裝置的一部分，主要包括外門架、內(nèi)門架、貨叉和叉架等。文章利用有限元分析軟件Ansys-workbench對(duì)2.5T叉車的外門架進(jìn)行分析，為叉車外門架結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期，提高供貨質(zhì)量的目的。

1 門架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

叉車的門架系統(tǒng)由門架、鏈條、叉架、貨叉、門架滾輪、液壓缸等部件組成。叉車門架為伸縮式的框架結(jié)構(gòu)，通過外門架尾部鉸接在車軸或車架上，依靠?jī)A斜液壓缸實(shí)現(xiàn)前后傾斜，以便于裝卸貨物以及帶貨運(yùn)行。內(nèi)外門架是垂直起升系統(tǒng)的立柱，主要承受彎曲載荷；貨叉架又被稱為滑架，用于懸掛貨叉或者其他的叉車屬具；貨叉即是直接承載貨物的部分，一般裝有兩個(gè)，其間距可以在貨叉架上調(diào)整。起升液壓缸帶動(dòng)鏈條傳動(dòng)使貨叉架沿內(nèi)門架升降，從而帶動(dòng)貨叉的完成升降運(yùn)動(dòng)，達(dá)到升降載荷的目的。內(nèi)門架滑輪貼附在外門架內(nèi)，以外門架內(nèi)槽為導(dǎo)軌完成上下運(yùn)動(dòng)，把貨物舉升到較高的位置，完成貨物的堆放。由此看來外門架是叉車的主要受力部件，外門架的設(shè)計(jì)對(duì)叉車的性能產(chǎn)生很大的影響。

2 叉車外門架有限元模型的建立

2.1 外門架的三維造型

一般來說，建立有限元模型的原則是既能體現(xiàn)被分析結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，又要盡量地使模型簡(jiǎn)化。文章采用三維建模軟件SolidWorks進(jìn)行實(shí)體建模，如圖1所示。然后將模型直接無(wú)縫導(dǎo)入Ansys-workbench軟件中，對(duì)外門架的強(qiáng)度和變形進(jìn)行有限元分析，為下一步結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供可靠的計(jì)算依據(jù)。

圖1 外門架的SolidWorks三維模型

2.2 有限元網(wǎng)格劃分

根據(jù)實(shí)際模型，文章使用三維實(shí)體單元來劃分模型網(wǎng)格，同時(shí)為了提高計(jì)算精度，實(shí)體單元網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行統(tǒng)一劃分，劃分網(wǎng)格后該模型共包含10668個(gè)單元和40880個(gè)節(jié)點(diǎn)。如圖2所示。

圖2 叉車外門架有限元模型圖

2.3 載荷計(jì)算及施加邊界條件

在叉車起重系統(tǒng)中外門架的受力較復(fù)雜，合理的載荷處理以及約束是有效進(jìn)行有限元分析的基本條件。貨叉、貨叉架和貨物的質(zhì)量以彎矩的形式由外門架的槽鋼承受，傾斜油缸安裝在外門架油缸支座上，起升油缸安裝在外門架下橫梁的油缸支座上，下橫梁油缸支座后端與前橋通過連接軸相連。文章在做約束處理時(shí)，把外門架與前橋鉸接處作為一個(gè)固定鉸支座，在ANSYS中邊界條件處理時(shí)放開繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，門架與傾斜液壓缸鉸接處可作為一個(gè)活動(dòng)鉸支座進(jìn)行約束，在ANSYS中可以約束門架與傾斜液壓缸鉸接處液壓缸運(yùn)動(dòng)方向的位移。門架自身重力可以自重形式施加。已知叉車的額定起重量為2.5噸，載荷中心距為500mm，貨叉上的重物載荷可采用集中力的形式施加。內(nèi)門架總成的質(zhì)量為150kg、單個(gè)貨叉質(zhì)量為56kg、鏈條及其他重量為35kg。根據(jù)叉車具體作業(yè)工況，經(jīng)過分析認(rèn)為，計(jì)算叉車外門架強(qiáng)度時(shí)，門架起升到位，同時(shí)前傾到位，此時(shí)工況為最危險(xiǎn)工況，因此選取此工況進(jìn)行加載計(jì)算。

3 有限元結(jié)果分析

在最危險(xiǎn)工況即起升到位和前傾到位的復(fù)合情況下，外門架的應(yīng)力分布云圖如圖3所示，最大等效應(yīng)力為123MPa，門架的材料為Q345B，取安全系數(shù)1.5，求得許用應(yīng)力為230MPa，計(jì)算出的最大等效應(yīng)力小于材料的需要應(yīng)力。外門架的變形為2.28mm，小于規(guī)定值，圖4所示。因此得出叉車的外門架是安全的。

圖3 叉車外門架的應(yīng)力分布

圖4 叉車外門架的變形

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過對(duì)叉車外門架的有限元分析，可以判斷出叉車在起升貨物時(shí)最不利工況下的應(yīng)力分布以及變形等情況，為設(shè)計(jì)叉車外門架的壽命和供貨質(zhì)量提供了保證，同時(shí)為外門架的進(jìn)一步優(yōu)化提供了參考，具有一定的工程意義。

參考文獻(xiàn)

[1]陸植.叉車設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2]陶元芳，衛(wèi)良保.叉車構(gòu)造與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]沈莉芳.基于ANSYS的叉車門架結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助分析[J].計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用技術(shù)，2007，3（4）：383-385.

作者簡(jiǎn)介：齊善朋（1981-），男，河北人，講師，碩士，主要從事物流輸送機(jī)械方面的研究。