叉車貨叉架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

文 / 楊左文

一、引言

叉車作為物料運(yùn)輸，整理和堆垛的工程機(jī)械，在重工業(yè)、船舶建造、制造工業(yè)、食品工業(yè)、物流運(yùn)輸?shù)群芏鄨?chǎng)合得到廣泛使用[1]，并且它在全球化的物料流通領(lǐng)域起著不可或缺的重要作用。而叉車貨叉架是叉車搬運(yùn)體系結(jié)構(gòu)中重要的力承載執(zhí)行構(gòu)件之一[2]。如果貨叉架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，會(huì)導(dǎo)致貨物無(wú)法搬運(yùn)，貨物跌落，貨物損失并帶來(lái)較大安全問(wèn)題。

隨著全球化產(chǎn)品商貿(mào)的快速發(fā)展，以及物流行業(yè)的快速發(fā)展，叉車的全球需求近年來(lái)出現(xiàn)井噴現(xiàn)象。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)體系已經(jīng)不能夠滿足叉車系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)、材料等多項(xiàng)因素快速發(fā)展的要求。縮短研發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)，成為目前叉車行業(yè)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)的重要指標(biāo)。

近幾年，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)成為了工程機(jī)械設(shè)計(jì)的重要工具。CAD建模軟件使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期大大縮短，CAE分析軟件縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證周期，CAD與CAE結(jié)合是叉車研發(fā)設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)。

二、建模

建立三維數(shù)模，并將結(jié)構(gòu)離散化形成有限元模型。

該分析方法為有限元分析方法，有限元法作為一種新興的數(shù)值分析方法，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、力學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，是目前工程分析領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值計(jì)算方法，同時(shí)，有限元分析技術(shù)也是計(jì)算機(jī)輔助工程 CAE的一門新興技術(shù)[3]。

1. 有限元法基本原理

有限元法是一種數(shù)值分析方法，近似求解控制方程。其基本思路是：將研究對(duì)象進(jìn)行離散化，離散為有限個(gè)單元，以單元節(jié)點(diǎn)力或節(jié)點(diǎn)位移作為未知量進(jìn)行求解[4]。有限元法是用各個(gè)單元的近似函數(shù)來(lái)表示全求解域上的未知場(chǎng)函數(shù)。各單元的近似函數(shù)一般是由未知場(chǎng)函數(shù)以及它的導(dǎo)數(shù)在該節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值及其插值函數(shù)表示的。這樣，就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題向離散的有限自由度問(wèn)題的轉(zhuǎn)化。通過(guò)求解節(jié)點(diǎn)的未知量，使用插值函數(shù)求得各單元場(chǎng)函數(shù)的近似值，便可計(jì)算出整個(gè)待求域的近似解。從理論上來(lái)說(shuō)，無(wú)限增加單元的劃分?jǐn)?shù)量，便可得到問(wèn)題的精確解。但是由于計(jì)算設(shè)備、計(jì)算量的限制，在實(shí)際工程問(wèn)題中，求解域上的近似解只要達(dá)到一定精度要求、滿足工程需要即可。

2. 三維模型

利用CAD三維軟件根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)初版三維貨叉架結(jié)構(gòu)模型（見(jiàn)圖1）。

圖1 貨叉架三維模型

貨叉架是由若干零部件組成，部分零部件對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小，若將所有的零部件作為仿真研究對(duì)象會(huì)使得計(jì)算規(guī)模特別大，計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生較大誤差。因此，在保證計(jì)算精度的前提下，有必要對(duì)貨叉架模型做一些簡(jiǎn)化。根據(jù)對(duì)貨叉架的受力分析，貨叉架主要受到門架、貨物、以及鏈條的作用。為了更好地模擬鏈條與門架對(duì)貨叉架的作用，建立部分門架以及鏈條下端螺母三維模型，對(duì)貨叉架模型進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)，應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手：

（1）對(duì)仿真結(jié)果只產(chǎn)生較小影響或無(wú)影響的細(xì)節(jié)特征可以忽略，如螺母、螺栓、焊縫等。同時(shí)，可以忽略半徑在 5mm以下的孔以及倒角。此外，將門架立柱以及橫梁等焊合件作為一個(gè)整體零件繪出。

（2）將模型結(jié)構(gòu)中對(duì)力學(xué)性能影響較小的工藝圓角簡(jiǎn)化為直角，這樣在分析計(jì)算時(shí)網(wǎng)格質(zhì)量較好，利用的資源較少，而且對(duì)分析結(jié)果不會(huì)帶來(lái)很大影響。

圖3 貨叉架有限元模型

3. 貨叉架受力分析

在工作過(guò)程中，貨叉架受到貨物重力對(duì)其的作用G。門架對(duì)滾輪的作用力F1、F3，以及鏈條對(duì)其的作用力F2。受力簡(jiǎn)化示意圖如圖2所示。不同使用工況下，滾輪與門架直接作用力的方向不同，具體受力方向需要根據(jù)計(jì)算得出。

圖2 貨叉架受力簡(jiǎn)化示意圖

4. 有限元模型

有限元模型即有限元分析計(jì)算模型，需要將分析對(duì)象離散化為有限單元，并為單元定義材料屬性，定義組件之間關(guān)系，以及邊界條件。并輸出有限元分析模型（.inp格式）。

（1）幾何模型導(dǎo)入

首先，在三維建模軟件中將貨叉架模型保存為 Parasolid（＊. x_t）格式，該文件格式可以在CAD與CAE軟件間相互轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)模型的數(shù)據(jù)共享。然后，打開(kāi)有限元分析軟件，導(dǎo)入三維模型。

（2）網(wǎng)格劃分

有限元分析中，施加在模型上的約束以及載荷，都是傳遞到單元和節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行計(jì)算的，網(wǎng)格劃分是有限元分析的基礎(chǔ)。根據(jù)復(fù)雜理論計(jì)算推導(dǎo)可以得知六面體單元具有計(jì)算精度較高，且計(jì)算規(guī)模較小，二階四面體同樣具有較高的計(jì)算精度，故在該分析中將較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)切割，進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，不規(guī)則結(jié)構(gòu)直接使用二階四面體單元。由于該分析中螺栓位置非關(guān)注位置，故以RBe2剛性單元代替螺栓連接。由于貨物非研究對(duì)象，但其重量會(huì)對(duì)貨叉架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，故在貨物中心位置建立質(zhì)點(diǎn)，并用RBe3單元將其重力分布到貨叉上。貨叉架有限元模型單元總數(shù)為493020，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為676461。

（3）材料屬性定義

叉車貨叉架不同零部件的材料是不同的，各零部件的材料及材料特性如表1所示。

表1 貨叉架各零部件材料及材料特性

表中材料參數(shù)來(lái)源于某材料庫(kù)。托盤為非關(guān)注件，故其材料設(shè)置為Q355。滾輪實(shí)際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為了后期計(jì)算更加順暢，其材料簡(jiǎn)化為軸承鋼。貨物簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)，建立mass單元，其質(zhì)量為惡劣工況中超載時(shí)的質(zhì)量，即1.33倍額定載荷。

（4）接觸關(guān)系

實(shí)際中橫板與縱板之間為焊接關(guān)系，在有限元靜力學(xué)計(jì)算中，通常情況下焊縫位置均使用共節(jié)點(diǎn)的連接方式。貨叉與橫板之間有螺栓固定，在有限元模型中使用Tie將兩個(gè)接觸面綁定。滾輪與導(dǎo)軌之間接觸為非線性接觸。建立滾輪與導(dǎo)軌之間的接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.05。滾輪與貨叉架的連接方式采用RBe2連接方式連接。

（5）分析工況以及約束載荷

叉車工作時(shí)有多種工況，其貨叉架受力也十分復(fù)雜，無(wú)法對(duì)每個(gè)工況進(jìn)行受力分析，因此，只對(duì)其典型受力工況做簡(jiǎn)化分析。

工況1：重力工況，當(dāng)貨物在取貨時(shí)，貨叉架只受到貨物重力作用；

工況2：縱向沖擊工況，當(dāng)貨叉架從高位取到貨物后下降急停時(shí)，貨叉架受到貨物對(duì)其縱向沖擊作用；

工況3：加速工況，當(dāng)叉車向前啟動(dòng)加速行駛時(shí)，貨叉架受到貨物的重力作用和向后的慣性力作用；

工況4：制動(dòng)工況，當(dāng)叉車向前制動(dòng)減速時(shí)，貨叉架受到貨物的重力作用和向前的慣性力作用；

工況5：轉(zhuǎn)彎工況，當(dāng)叉車向側(cè)向轉(zhuǎn)彎時(shí)，貨叉架受到貨物的重力作用和另一側(cè)的慣性力作用；

工況6：貨物偏載150mm時(shí)，重力工況；

工況7：貨物偏載時(shí)，縱向沖擊工況；

工況8：貨物偏載時(shí)，加速工況；

工況9：貨物偏載時(shí)，制動(dòng)工況；

工況10：貨物偏載時(shí)，轉(zhuǎn)彎工況。

對(duì)門架下端位置和鏈條螺母進(jìn)行全自由度約束。以inp格式輸出有限元模型。

表2 貨叉架計(jì)算工況及加載載荷

圖4 貨叉架約束位置

三、后處理

新建計(jì)算文件夾，將調(diào)用有限元求解器的批處理程序文件與有限元分析模型文件共同放入，雙擊批處理程序，批處理程序自動(dòng)調(diào)用后臺(tái)求解器，對(duì)有限元模型進(jìn)行求解計(jì)算。最后在該計(jì)算文件夾中生成求解過(guò)程文件與求解結(jié)果文件。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到計(jì)算結(jié)果文件（odb文件）。

工況1：重力工況計(jì)算結(jié)果：

根據(jù)應(yīng)力云圖（如圖5）可以看出：縱板與橫板焊接位置的最大應(yīng)力為 198 MPa，該位置存在較為明顯的應(yīng)力集中，掛板材料為Q355，其屈服應(yīng)力為198 MPa。對(duì)于塑性工程材料，安全系數(shù)通常取1.5（在其他工況評(píng)價(jià)中均取該系數(shù)）。則在該工況下，掛板的安全系數(shù)為N = 355 MPa / 198 MPa = 1.79 >1.5，因此該位置滿足強(qiáng)度要求。

圖5 重力工況下貨叉架應(yīng)力云圖

工況2：縱向沖擊工況計(jì)算結(jié)果：

根據(jù)應(yīng)力云圖（如圖6）在縱向沖擊載荷作用下，縱板與橫板焊接位置應(yīng)力最大達(dá)到297 MPa，安全系數(shù)N = 355 MPa /297 MPa = 1.19 <1.5，不滿足強(qiáng)度要求。

圖6 縱向沖擊工況貨叉架應(yīng)力云圖

工況3：加速工況計(jì)算結(jié)果：

如圖7，縱板與橫板焊接位置應(yīng)力最大達(dá)到172 MPa，安全系數(shù)N =355 MPa / 172 MPa = 2.06 >1.5，滿足強(qiáng)度要求。

圖7 加速工況下貨叉架應(yīng)力云圖

工況4：制動(dòng)工況計(jì)算結(jié)果：

如圖8，縱板焊接位置應(yīng)力最大達(dá)到250 MPa，安全系數(shù)N = 355 MPa /250 MPa = 1.42 < 1.5，不滿足強(qiáng)度要求。

圖8 制動(dòng)工況下貨叉架應(yīng)力云圖

工況5：轉(zhuǎn)彎工況計(jì)算結(jié)果：

如圖9，縱板與橫板焊接位置應(yīng)力最大達(dá)到255 MPa，安全系數(shù)N =355 MPa / 255 MPa =1.39 < 1.5，不滿足強(qiáng)度要求。

圖9 轉(zhuǎn)彎工況下貨叉架應(yīng)力云圖

考慮到文章篇幅，在偏載工況中選取惡劣工況：

工況7：偏載縱向沖擊工況計(jì)算結(jié)果：

如圖10，縱板與橫板焊接位置應(yīng)力最大達(dá)到298 MPa，安全系數(shù)N =355 MPa / 298 MPa =1.19 < 1.5，不滿足強(qiáng)度要求。

圖10 偏載縱向沖擊工況下貨叉架應(yīng)力云圖

工況9：偏載制動(dòng)工況計(jì)算結(jié)果：

如圖11，縱板與橫板焊接位置應(yīng)力最大達(dá)到238 MPa，安全系數(shù)N =355 MPa / 238 MPa =1.49 < 1.5，不滿足強(qiáng)度要求。

圖11 偏載制動(dòng)工況下貨叉架應(yīng)力云圖

工況10：偏載轉(zhuǎn)彎工況計(jì)算結(jié)果：

如圖12，縱板與橫板焊接位置應(yīng)力最大達(dá)到272 MPa，安全系數(shù)N =355 MPa / 272 MPa =1.3 < 1.5，不滿足強(qiáng)度要求。

圖12 偏載轉(zhuǎn)彎工況下貨叉架應(yīng)力云圖

由以上分析結(jié)果可知，在縱向沖擊、制動(dòng)以及轉(zhuǎn)彎工況下掛板不滿足強(qiáng)度要求，貨叉架中縱板與橫板焊接位置應(yīng)力集中是由于懸臂結(jié)構(gòu)造成，建議取消懸臂?？v向加載較大時(shí)縱板在縱向承受壓力，板圓角對(duì)結(jié)構(gòu)并無(wú)作用，反而增加工序，建議取消圓弧。

四、設(shè)計(jì)改進(jìn)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出該位置確實(shí)存在應(yīng)力集中，取消原為避讓貨叉架側(cè)移器而安裝的懸臂和圓角，貨叉架側(cè)移功能由自動(dòng)變?yōu)槭謩?dòng)調(diào)節(jié)。輸出三維模型，并定義有限元模型（如圖13）。

圖13 改進(jìn)前后貨叉架三維模型

改進(jìn)后縱向沖擊工況下應(yīng)力云圖如圖14所示。

圖14 縱向沖擊工況下改進(jìn)后貨叉架應(yīng)力云圖

改進(jìn)后貨叉架應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力值，縱向沖擊工況最大應(yīng)力值為139 MPa, 安全系數(shù)N = 355 MPa / 139 MPa = 2.55 > 1.5，滿足強(qiáng)度要求。

改進(jìn)后偏載縱向沖擊工況下應(yīng)力云圖如圖15所示。

圖15 偏載縱向沖擊工況下改進(jìn)后貨叉架應(yīng)力云圖

改進(jìn)后貨叉架應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力值，偏載縱向沖擊工況為最惡劣工況，最大應(yīng)力值為148 MPa, 安全系數(shù)N = 355 MPa / 148 MPa = 2.40 > 1.5，滿足強(qiáng)度要求。

其他工況不再做過(guò)多贅述。

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果可知，改進(jìn)后模型比改進(jìn)前模型強(qiáng)度方面得到較大提升。有效地規(guī)避了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)位置。

五、總結(jié)

本文簡(jiǎn)單介紹了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法以及有限元基本原理；以貨叉架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，詳細(xì)介紹了CAE結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析過(guò)程；以線性結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了典型工況下貨叉架有限元模型的建立過(guò)程；對(duì)貨叉架的強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析，通過(guò)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)貨叉架結(jié)構(gòu)中存在應(yīng)力集中，通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析出應(yīng)力集中的原因；并對(duì)貨叉架薄弱位置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)與有限元驗(yàn)證，通過(guò)分析改進(jìn)后貨叉架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足強(qiáng)度要求。

由以上分析可以明顯看出CAE分析的重要性和合理性，可以較大地縮短研發(fā)周期，減少設(shè)計(jì)—試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)，在試驗(yàn)前規(guī)避一些薄弱點(diǎn)，降低損失。CAE仿真分析是科學(xué)研發(fā)過(guò)程中不可缺少的一環(huán)，在研發(fā)體系中扮演著越來(lái)越重要的角色。