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        VDI循環(huán)下的叉車貨叉疲勞優(yōu)化及試驗驗證

        2016-12-08 08:04:01孟令利劉顯貴畢成亞
        廈門理工學院學報 2016年5期
        關(guān)鍵詞:貨叉模擬計算叉車

        孟令利,劉顯貴,畢成亞

        (1.廈門理工學院機械與汽車工程學院,福建 廈門 361024;2.林德(中國)叉車有限公司,福建 廈門 361009)

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        VDI循環(huán)下的叉車貨叉疲勞優(yōu)化及試驗驗證

        孟令利1,劉顯貴1,畢成亞2

        (1.廈門理工學院機械與汽車工程學院,福建 廈門 361024;2.林德(中國)叉車有限公司,福建 廈門 361009)

        針對某型3.5t叉車貨叉疲勞斷裂問題,在建立貨叉有限元模型基礎(chǔ)上,運用形狀優(yōu)化法對貨叉進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使貨叉在質(zhì)量沒有增加的情況下,最大應力降低了18.86%.再以靜態(tài)分析結(jié)果為基礎(chǔ),以VDI(德國工程師協(xié)會)循環(huán)實測的載荷譜為依據(jù),基于Miner疲勞理論,對優(yōu)化前后的貨叉有限元模型進行疲勞模擬分析,優(yōu)化后的貨叉壽命是優(yōu)化前的1.93倍,疲勞試驗結(jié)果滿足企業(yè)要求.

        叉車貨叉;循環(huán)工況;疲勞斷裂;形狀優(yōu)化

        貨叉作為叉車的承載部件,工作時承受交變載荷作用,極易產(chǎn)生疲勞斷裂,叉車貨叉的安全可靠已成為設(shè)計師面臨的關(guān)鍵問題.目前疲勞研究主要集中在汽車結(jié)構(gòu)件上[1-5],而對叉車部件的疲勞研究卻相對較少;文獻[6]中利用有限元法分析比較了貨叉根部兩種不同內(nèi)外徑組合的應力情況;文獻[7]利用AnsysWorkbench中的Fatigue模塊對某型貨叉進行了疲勞壽命分析;文獻[8]利用AnsysWorkbench有限元分析軟件對貨叉進行了靜力學分析,得到2t叉車貨叉在滿載工況下的應力和變形.以上文獻在疲勞計算,確定加載載荷譜時,未能與實際工況相結(jié)合,相關(guān)結(jié)論可能會與實際工況下疲勞可靠性有較大偏差.文獻[9]對路面隨機激勵下驅(qū)動橋殼的疲勞可靠性進行分析和優(yōu)化;文獻[10]提出了隨機載荷作用下風電齒輪箱軸承疲勞壽命預測方法,都說明用實測載荷譜進行分析和試驗的結(jié)果與實際情況較為吻合.

        本文基于德國工程師協(xié)會規(guī)定的叉車試驗VDI循環(huán)工況,在對優(yōu)化后的貨叉進行靜態(tài)特性分析的基礎(chǔ)上,對VDI實際循環(huán)工況下測得的載荷譜進行分析和試驗,運用Miner疲勞理論,基于nCodeDesignLife對優(yōu)化前后的貨叉疲勞模擬計算,最后結(jié)合實際進行試驗驗證,結(jié)果表明優(yōu)化后的貨叉在質(zhì)量不變的情況下,根部應力大幅降低,疲勞壽命顯著增加.

        1 貨叉結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        表1 貨叉材料參數(shù)Table1 Forkmaterialparameters名稱參數(shù)材料20Cr彈性模量/MPa206000泊松比0.254抗拉強度/MPa835屈服強度/MPa540

        初始貨叉做疲勞試驗時,在第637 856次時斷裂.為了與試驗情況相一致,本文把貨叉裝在貨叉架上進行靜態(tài)模擬分析,貨叉的材料參數(shù)如表1所示.把在UG中建立的三維模型導入到Hyperwork軟件中,對模型進行處理,貨叉和貨叉架全部采用實體單元劃分網(wǎng)格,單元網(wǎng)格尺寸為5mm,模型總共劃分為310 815個單元和365 103個節(jié)點.按照實際試驗情況,貨叉架上的滾輪只約束X、Y方向的移動和X、Z方向的轉(zhuǎn)動,而鏈條安裝位置只約束Z方向的移動,

        采用RBE3集中加載,加載點距離貨叉根部500mm,安全系數(shù)為1.5,所以3.5t的貨叉加載為52.5kN.建立的貨叉有限元模型如圖1所示.

        由圖2可知,經(jīng)過9次迭代后優(yōu)化結(jié)束,得到的最大應力為203.932MPa,優(yōu)化前后的貨叉應力云圖如圖3所示,可知貨叉的最大應力降低了18.86%,經(jīng)測量質(zhì)量減少了0.01kg,從而實現(xiàn)了在質(zhì)量沒有增加的情況下,使貨叉承受的最大應力大幅降低的目標.

        2 貨叉的疲勞分析

        為使模擬計算與叉車貨叉實際工況一致,本文在VDI規(guī)定的循環(huán)工況下,利用動態(tài)應變儀測得貨叉實際所受的載荷譜,用于加載模擬計算,該儀器在測量載荷時可精確到1N,在上述工況下,叉車載著額定質(zhì)量的重物經(jīng)歷了加速、減速和制動等工況,貨叉經(jīng)歷了載著貨物隨車運動、載貨上升及載貨下降.當貨叉加速上升時,處于超重狀態(tài),貨叉所受的載荷大于額定載荷.由于上升過程存在振動,所以力會波動.在載貨隨車運動的過程中,由于路面顛簸,貨叉所受的載荷在額定載荷附近上下波動.當貨叉下降時,處于失重狀態(tài),貨叉所受的力小于額定載荷,下降過程中也會受到振動,所以力也會波動,測得的載荷譜如圖4所示.以此載荷譜作為模擬計算和試驗的依據(jù).

        利用Miner疲勞論,采用Goodman修正法,得到的貨叉材料S-N曲線如圖5所示,將優(yōu)化前后的Hyperwork靜態(tài)分析結(jié)果導入到nCodeDesignLife軟件中,以上述測得實際載荷譜為模擬計算的載荷譜進行疲勞壽命模擬計算,得到優(yōu)化前后的貨叉的疲勞壽命如圖6所示,優(yōu)化前的壽命為797 300次,優(yōu)化后的壽命為1 536 100次,優(yōu)化后疲勞壽命是原來的1.93倍.由于貨叉材料本身存在缺陷以及焊接和應力集中等因素的影響,所以分析的壽命要大于試驗壽命.

        3 疲勞試驗驗證

        3.1 實驗過程

        本疲勞試驗設(shè)備為日本鷺宮制作所生產(chǎn)的DynamicServoFatigueTester,由動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和加載機構(gòu)組成.為了使試驗與貨叉實際工況相一致,將貨叉安裝在貨叉架上,貨叉架裝在工裝的卡槽中進行試驗.加載點距離貨叉根部為500mm,試驗裝置如圖7所示.為了縮短試驗時間,將前文所述試驗測得的載荷譜進行等效損傷處理.試驗在疲勞試驗室中進行,無外界干擾,試驗時的氣溫在25 ℃左右,加載頻率為1Hz.

        3.2 試驗結(jié)果

        試驗結(jié)果如圖8所示:優(yōu)化后,貨叉進行了100萬次疲勞試驗,未發(fā)生疲勞斷裂,滿足設(shè)計要求.

        4 結(jié)論

        1)通過對貨叉結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,使貨叉在質(zhì)量沒有增加的情況下,靜態(tài)最大應力降低了18.86%;

        2)以實測載荷譜作為疲勞模擬計算的載荷譜,模擬結(jié)果表明優(yōu)化后貨叉的疲勞壽命是優(yōu)化前的1.93倍,優(yōu)化后貨叉進行疲勞試驗,試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求;

        3)本優(yōu)化設(shè)計方法,對貨叉結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有一定的參考價值.

        [1]肖志金,朱思洪.基于虛擬樣機技術(shù)的輕型載貨汽車車架疲勞壽命預測方法[J].機械設(shè)計,2010,27(1):59-63.

        [2]朱才朝,張偉敏,喬莉,等.摩托車車架系統(tǒng)疲勞強度分析及壽命預估[J].汽車工程,2007,29(10):900-904.

        [3]王顯會,石磊.某特種車架在沖擊載荷下的瞬態(tài)響應分析及疲勞壽命評估研究[J].汽車工程,2009,31(8):769-773..

        [4]李成林,宋莎莎,韓振南.基于nCodeDesign-Life的某車車架疲勞可靠性分析[J].圖學學報,2014,35(1):42-45.

        [5]朱濤,宋健,李亮.基于實測載荷譜的白車身疲勞壽命計算[J].汽車技術(shù),2009(5):8-11.

        [6]李歡,寧旺云,唐秀英,等.叉車貨叉的有限元分析及優(yōu)化[J].機械制造,2014(5):24-27.

        [7]范永斌,尹明德,丁奇.基于ANSYSWorkbench的叉車貨叉疲勞壽命研究[J].煤礦機械,2015(1):105-106.

        [8]張衛(wèi)亮,劉明君,張宸.基于Workbench的叉車貨叉有限元分析[J].起重運輸機械,2014(12):95-97.

        [9]盧劍偉,王馨梓,吳唯唯.路面隨機激勵下輕型貨車驅(qū)動橋殼疲勞可靠性分析[J].汽車工程,2016,38(1):122-126.

        [10]安宗文,胡敏,劉波.隨機載荷作用下風電齒輪箱軸承疲勞壽命預測方法[J].蘭州理工大學學報,2016,42(1):35-39.

        (責任編輯 宋 靜)

        Optimization and Verification of the Lift Fork Fatigue in VDI Cycle Test

        MENG Lingli1,LIU Xiangui1,BI Chengya2

        (1.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,XiamenUniversityofTechnology,Xiamen361024,China;2.Linde(China)ForkliftTruck,Xiamen361009,China)

        Shapeoptimizationwascarriedtoacertaintypeof3.5tforkliftforkbasedonafiniteelementmodelinordertoimproveitsfatiguefracture.Theoptimizationreduced18.86%ofthemaximumstressoftheforkwithoutincreaseofweight.Basedonthisstaticanalysis,afatiguesimulationanalysiswasthenconductedtotheun-optimizedandoptimizedforksunderMiner’sRuleaccordingtotheloadspectrummeasuredbytheAssociationofGermanEngineers(VDI).Fatiguetestshaveprovedthatthefatiguelifeoftheoptimizedforkis1.93timesthatoftheun-optimizedone,meetingtheneedsoftheindustry.

        forkliftfork;cyclecondition;fatiguefracture;shapeoptimization

        2016-07-18

        2016-09-11

        孟令利(1989-),男,碩士研究生,研究方向為車輛零部件疲勞壽命.通訊作者:劉顯貴(1973-),男,教授,博士,研究方向為汽車設(shè)計.E-mail:lxguiduc_3162@163.com

        TH

        A

        1673-4432(2016)05-0046-05

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