叉車轉(zhuǎn)向橋有限元軟件的開發(fā)與應(yīng)用分析

王彬 馬成云

合肥和安機械制造有限公司 安徽 合肥 231200

1 有限元計算要點

使用常規(guī)ANSYS、ABAQU軟件對轉(zhuǎn)向橋進行仿真設(shè)計，通常需要經(jīng)過多個步驟，不僅效率較低，最終效果也難以得到保證，在此背景下，有關(guān)人員指出應(yīng)將開發(fā)有限元軟件的工作提上日程，以此來彌補常規(guī)軟件所存在不足。有限元計算所依托基礎(chǔ)為三維模型，對模型進行建立時，有關(guān)人員應(yīng)對存儲規(guī)律引起重視，充分利用產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫所存儲各項參數(shù)完成計算工作，確保所建立分析模型能夠發(fā)揮出應(yīng)有作用。隨后，再借助所建立模型進行計算，將計算所得數(shù)據(jù)以較為直觀的方式進行展示。

2 有限元軟件開發(fā)

以廠家所提供圖紙為依據(jù)，對轉(zhuǎn)向橋所適用計算模型進行建立?？紤]到轉(zhuǎn)向橋多為對稱結(jié)構(gòu)，除特殊情況外，均可將整體的1/2視為計算模型，在保證計算精度和有效性的前提下，對局部進行相應(yīng)的簡化[1]。

2.1 建立模型

由于轉(zhuǎn)向橋內(nèi)部往往無須搭載制動器，在建立模型時，通常不需要考慮車輪所承受切向力，而是將重心放在側(cè)滑所產(chǎn)生橫向力、垂直力上。在確定計算載荷時，應(yīng)對不同工況所表現(xiàn)出特點加以考慮，轉(zhuǎn)向橋常見工況如下：

其一，側(cè)向力最大。簡單來說，就是叉車處于空載轉(zhuǎn)向工況時，受離心力影響，車輪往往會呈現(xiàn)出臨界側(cè)滑的狀態(tài)，對側(cè)向力進行計算的公式為：

其二，垂直力最大?？蛰d叉車通過凹凸不平的路段時，其內(nèi)部將產(chǎn)生一定動載荷，使得垂直反力快速增加[2]。由此可見，垂直力極易受到輪胎彈性、行駛速度還有路面情況的影響，相關(guān)計算公式為：

2.2 開發(fā)前處理模塊

基于轉(zhuǎn)向橋示意圖對網(wǎng)格進行劃分的關(guān)鍵是對物體進行離散化處理，利用15節(jié)點或是20節(jié)點對轉(zhuǎn)向橋進行填充，曲面可借助空間插值函數(shù)做擬合處理，保證節(jié)點編號可達到帶寬最小的要求，這樣做能夠在極大程度上縮短計算時間。為確保計算所得結(jié)果準確，有關(guān)人員選擇將1/2轉(zhuǎn)向橋劃分成2666個節(jié)點、分屬1524個單元，同時該網(wǎng)絡(luò)共包括16層，各層均有計算模式對應(yīng)[3]。

對結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的轉(zhuǎn)向橋而言，在劃分網(wǎng)格的前提下，對各節(jié)點編號和對應(yīng)坐標進行快速確定的難度極大?？紤]到節(jié)點標號、對應(yīng)坐標均屬于原始數(shù)據(jù)，通常與幾何數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)間存在緊密聯(lián)系，有關(guān)人員指出，前處理的主要任務(wù)是準確生成集合數(shù)據(jù)。本軟件以前處理模塊為載體，新增了參數(shù)化設(shè)計的相關(guān)功能，同時強化了模塊和PRO/E、ANSYS等軟件的適配性，確保在利用上述軟件建立模型的過程中，該模塊能夠充分發(fā)揮出采集、存儲相關(guān)數(shù)據(jù)的功能。此外，還開發(fā)了負責修正數(shù)據(jù)的程序，旨在降低對構(gòu)件進行前處理的難度，使前處理所取得效果更加理想。為保證所建立模型符合項目要求，有關(guān)人員決定參照前處理方法對力學(xué)模型進行建立，通過對比現(xiàn)有方案的方式，確定可最大限度滿足項目要求的模型。

2.3 開發(fā)后處理模塊

在有限元計算期間通常會形成海量數(shù)據(jù)，要想降低對比多個方案的難度，關(guān)鍵是要保證計算結(jié)果以十分醒目且直觀的形式被呈現(xiàn)出來。后處理的關(guān)鍵，便是充分利用現(xiàn)有技術(shù)，對應(yīng)力圖、變形圖、等值線圖或是渲染圖進行繪制，通過直觀表達計算所得數(shù)據(jù)的方式，為后續(xù)檢查工作的開展提供便利。

在對轉(zhuǎn)向橋剛度、強度進行計算期間，本軟件能夠憑借OPENGL庫和可視計算，高效完成編寫后處理程序的工作，同時保證所編寫程序可提供結(jié)果處理、變形顯示以及繪制應(yīng)力曲線等功能，通過提高處理效率的方式，減少該環(huán)節(jié)需要花費的時間[4]。

對后處理強度進行分析所遵循理論為第四強度理論，計算公式如下：

在該公式中，σ1代表第一主應(yīng)力。σ2代表第二主應(yīng)力。σ3代表第三主應(yīng)力。[σ]代表允許應(yīng)力，轉(zhuǎn)向橋的主要材質(zhì)為鋼，而鋼的允許應(yīng)力約為293MPa。

3 軟件應(yīng)用實例說明

內(nèi)燃叉車所配備轉(zhuǎn)向橋多通過鋼板焊接所得，運行期間往往需要承受側(cè)向力、縱向力和垂直力，其工況的復(fù)雜程度有目共睹。在進行有限元分析時，有關(guān)人員決定先簡化模型，假設(shè)橋體所用材料為均質(zhì)、連續(xù)材料，同時符合完全彈性體的條件，在此基礎(chǔ)上，對有限元軟件進行使用，所涉及內(nèi)容如下：

3.1 受力分析

3.1.1 空載靜止。處于空載靜止工況的叉車，其內(nèi)部轉(zhuǎn)向橋?qū)?yīng)等效應(yīng)力的最大值在18.8MPa左右，多數(shù)應(yīng)力均位于橋體焊接點周圍，縱向（Z向）位移最大的構(gòu)建為軸套，相關(guān)數(shù)值在0.0019mm左右。

3.1.2 空載急剎?？蛰d叉車由高速行駛狀態(tài)切換成緊急剎車狀態(tài)時，轉(zhuǎn)向橋?qū)?yīng)等效應(yīng)力的最大值為18MPa，多數(shù)應(yīng)力均分布在鋼板焊接區(qū)域，軸套附近出現(xiàn)明顯位移，位移相對值在0.0017mm左右[5]。由此可見，靜態(tài)工況下，轉(zhuǎn)向橋變形、等效應(yīng)力值均未達到屈服極限，這表示轉(zhuǎn)向橋強度能夠達到行業(yè)標準。

3.1.3 空載轉(zhuǎn)向。處于空載轉(zhuǎn)向工況的轉(zhuǎn)向橋，其等效應(yīng)力最大值為19MPa，略大于空載靜止工況，鋼板焊接區(qū)域所承受應(yīng)力較多，軸套附近所出現(xiàn)位移情況較其他區(qū)域更加明顯，位移距離在0.0057mm左右。

3.2 模態(tài)分析

以靜態(tài)分析模型為落腳點，借助ANSYS軟件對結(jié)構(gòu)模態(tài)進行計算，在此期間，不需要考慮阻尼所產(chǎn)生影響，只需將預(yù)應(yīng)力開關(guān)打開，便可完成后續(xù)的模態(tài)計算等工作。本文所分析轉(zhuǎn)向橋的參數(shù)如下：

表1 轉(zhuǎn)向橋基本參數(shù)

對其固有頻率進行計算所得結(jié)果如下：

表2 頻率取值

上圖共包括前十階振型，其中，1階是指轉(zhuǎn)向橋兩側(cè)分別沿Z振動；2階是兩側(cè)均沿Z振動；3階是指兩端均沿Y振動；4階是指兩側(cè)分別繞Z轉(zhuǎn)動；5階是指兩側(cè)均繞Z轉(zhuǎn)動；6階是指兩側(cè)均繞Z、X轉(zhuǎn)動且轉(zhuǎn)速相同；7階是指橋體繞Z轉(zhuǎn)動；8階同樣是指橋體繞Z轉(zhuǎn)動，但其振型較7階略大；9階是指橋體繞Y轉(zhuǎn)動；10階是指橋體繞Y、Z轉(zhuǎn)動。

研究表明，轉(zhuǎn)向橋?qū)?yīng)1階頻率取值是313Hz，此時，路面激勵頻率處于低階頻率狀態(tài)，其空間頻率取值往往集中在0.2～2.0c/m間。對空間頻率進行轉(zhuǎn)化，可得出“時間頻率處于1～20Hz”的結(jié)論，這表示1階頻率并未處于額定頻率范圍內(nèi)，換言之，行駛狀態(tài)下的叉車并不會導(dǎo)致橋體出現(xiàn)共振，加之多數(shù)位移均處于軸套附近，這說明叉車對轉(zhuǎn)向橋在剛度方面所提出要求較為嚴格。

3.3 零件應(yīng)用

3.3.1 橋體。有關(guān)人員利用分析系統(tǒng)對某叉車所配備鑄鋼轉(zhuǎn)向橋進行了模擬。很長一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)向橋均以鋼為主要材質(zhì)，在本軟件的輔助下，有關(guān)人員成功研發(fā)出了鑄鋼轉(zhuǎn)向橋，其性能較鋼轉(zhuǎn)向橋更為突出。

圖1 橋體模型

3.3.2 轉(zhuǎn)向銷。轉(zhuǎn)向銷主要材質(zhì)為20Cr鋼，將其強度換算成應(yīng)力，最大值約為278MPa，可達到項目所提出要求。

3.3.3 轉(zhuǎn)向節(jié)。該叉車轉(zhuǎn)向節(jié)材質(zhì)為45#鋼，對應(yīng)網(wǎng)格模型如下：

圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)網(wǎng)絡(luò)模型

將節(jié)點強度換算成應(yīng)力值，計算所得數(shù)據(jù)均在264MPa左右波動，未超出允許范圍，與使用要求相符。

4 結(jié)束語

通過上文的分析可知，在對叉車進行設(shè)計期間，有限元軟件的作用主要是評估方案是否可行。基于計算機技術(shù)對相關(guān)系統(tǒng)或程序進行開發(fā)，可促使有關(guān)人員快速完成分析零件的工作，針對分析過程中所發(fā)現(xiàn)問題，對設(shè)計方案進行調(diào)整。事實證明，本文所開發(fā)有限元軟件在拓展性、實用性等方面均具有突出表現(xiàn)，將其用于零件、叉車設(shè)計，一方面可保證設(shè)計需要得到滿足，另一方面可使產(chǎn)品質(zhì)量得到顯著提高。未來有關(guān)人員應(yīng)將工作重心向其傾斜，通過定期升級現(xiàn)有軟件的方式，確保其所具有優(yōu)勢能夠得到更加充分的發(fā)揮。