陳建智（林德（中國）叉車有限公司，福建　廈門　361009）

有限元方法在倉儲式叉車車架強度分析中的運用

陳建智
（林德（中國）叉車有限公司，福建廈門361009）

摘要：本文針對37x車型倉儲式叉車在國內(nèi)改裝可拆卸門架的需求，對37x車架及門架安裝方式進行重新設(shè)計，對車架及門架裝配進行了整車有限元分析，保證了改裝后門架與車架的匹配和安全。到達了不降低穩(wěn)定性和車架強度及安全性能要求的預(yù)期目的，同時節(jié)約大量成本，順利完成了項目的國產(chǎn)化。

關(guān)鍵詞：倉儲式叉車；車架；強度；有限元分析；國產(chǎn)化

37x型倉儲式叉車在國外研發(fā)、生產(chǎn)，采用車架和門架整焊接在一起的方式。為降低成本，現(xiàn)要求在國內(nèi)生產(chǎn)并考慮利用已有的系列標準門架，因而必須對車架與門架的連接方式進行重新設(shè)計，并對整車進行力學(xué)和穩(wěn)定性校核。本文論述了如何利用UG軟件的NxNastran對整車強度進行分析。

圖1　車架三維實體模型

一、整車有限元模型的建立

由于37x車架主要由多件沖壓成形板（板厚有4691550mm幾種）和桿件組成（如圖1所示），為了提高分析精度并簡化零件間的連接方式，以便直接利用高級分析模塊內(nèi)置的網(wǎng)格粘接功能，采用了實體單元進行作為單元類型進行分析。

由于模型零件類型及分析重點區(qū)域不一和網(wǎng)格過渡的需要，分網(wǎng)后網(wǎng)格單元尺寸難免出現(xiàn)不一致，節(jié)點不重合的問題。對于這些地方的連接，采用了分析模塊內(nèi)“粘接非重合”的功能予以連接，如圖2所示。

圖2　實體單元及粘結(jié)非重合網(wǎng)格

二、載荷分析和施加

37x型車的載荷沿貨叉架/屬具—門架—車架—輪子的路徑轉(zhuǎn)移。本分析中為使結(jié)果便于和原車進行比較，把載荷轉(zhuǎn)化到了外門架上。

根據(jù)實際可能出現(xiàn)的工況，分析中假設(shè)了叉車存在3%的橫向傾斜。載荷在門架間由4個滾輪軸和外門架油缸支撐，因此載荷轉(zhuǎn)化為2側(cè)油缸支架Fz及縱向橫向的彎矩Mx，My和豎直方向的扭矩Tz和側(cè)向力Fx。在此由于沒有明顯的旋轉(zhuǎn)軸，所以所有的彎矩，扭矩均轉(zhuǎn)化為力輸入

載荷：Q=1300kg

Fz=12730.81N

Fx=483.73N

F_Mx=10703.61096N

F_My=433.200242N

F_Tz=493.2207632N

C=660mm（載荷中心矩）

D=785mm（貨叉架提升到2500mm時內(nèi)外門架滾輪軸距離）。

圖3　車架三維實體模型

三、邊界條件

37x型車的支撐共有4個輪子：支腿下方的2個承載輪和前方1個驅(qū)動輪及1個平衡輪。在有限元模型中采用UGNX5.0高級仿真模塊內(nèi)的剛性桿RBE2模擬對支撐點與車架實體單元的連接，此種剛性桿單元不增加系統(tǒng)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)剛度，因而是非常合適的（如圖4所示）。對于整車處于工作狀態(tài)時，系統(tǒng)在豎直方向、橫向、縱向的自由度被完全約束。系統(tǒng)內(nèi)部支撐輪可以沿縱向移動的，因而應(yīng)當釋放其縱向的自由度，約束承載輪的縱向自由度，以限制整車縱向的剛體位移。平衡輪由于其功能是用于平衡整車在豎直方向的質(zhì)量，故釋放其他兩個方向自由度，而僅限制豎直方向的位移。如圖5所示。

四、計算結(jié)果及判定

車架中采用的材料主要是S355J2+N 和S235JR，分別對應(yīng)國內(nèi)16Mn和Q235A，其對應(yīng)的強度極限數(shù)據(jù)見表1。

而有限元計算結(jié)果見表2。

計算結(jié)果表明，相同載荷下相比于舊的379車型的車架變形，37x的變形程度更小。兩車的應(yīng)力最高點均位于門架油缸支座處，達到了312.4MPa以上，接近了正常的彈性極限，經(jīng)仔細分析原因是門架型鋼網(wǎng)格和油缸支座網(wǎng)格間尺寸差異太大，中間采用剛性桿模擬焊接造成的，實際的應(yīng)力水平不至于這么高，該門架多年的實際運用中也證明了這點。

其他關(guān)鍵位置如支腿根部，車身上部支撐和右后側(cè)液壓油箱支架也表現(xiàn)出了較高應(yīng)力，如圖6、圖7和圖8所示。

但均低于16Mn或A3鋼的彈性極限和疲勞極限，意味著車架時安全可靠的。

圖4　有限元模型邊界條件示意

圖5　支腿約束及RBE2剛性桿處理

圖6　支腿根部

圖7　上部限位支撐

圖8　液壓油箱支架

表1

表2　門架位移和車架應(yīng)力值

表3車架位移值

結(jié)語

本文基于UG軟件的高級CAE模塊，通過對37x車架整車的有限元分析得出了關(guān)鍵部位的應(yīng)力值和變形。與現(xiàn)成產(chǎn)品對比，結(jié)合降低成本的總體要求，多次運算持續(xù)改進結(jié)構(gòu)，最終得出了較優(yōu)方案。為保證項目國產(chǎn)化的進度和準確性，節(jié)省研發(fā)經(jīng)費提供了強有力的支持，取得了較大的經(jīng)濟效益。

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