符永映

（桂林明富機器人科技有限公司，廣西 桂林 541199）

0 引言

叉車門架的設(shè)計關(guān)系到整個叉車系統(tǒng)的安全性和可靠性。門架的各項結(jié)構(gòu)零部件的設(shè)計形式，是根據(jù)其功能和機構(gòu)的需求，一般采用經(jīng)典力學和半理論半經(jīng)驗設(shè)計或者類比法等傳統(tǒng)形式，要結(jié)合進行循環(huán)式試驗設(shè)計，來滿足產(chǎn)品的設(shè)計要求。以上設(shè)計形式存在設(shè)計開發(fā)存在成本高、周期長、反復(fù)多、精度差、重量不好控制等缺點。國內(nèi)外的傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計在研發(fā)過程中缺失仿真分析的步驟，僅依靠設(shè)計工程師個人經(jīng)驗或以往的設(shè)計基礎(chǔ)進行的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計出來后，進行試制生產(chǎn)過程中沒有系統(tǒng)的輕量化設(shè)計，等測試發(fā)現(xiàn)問題后才不斷的改進，此過程既浪費的人力物力財力，又無形中延長了開發(fā)周期[1]。隨著對環(huán)保和能源等因素對其性能及品質(zhì)要求也日益提高，傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)不能適應(yīng)輕量化設(shè)計、機構(gòu)優(yōu)化、材料優(yōu)化等因素的優(yōu)化需求[2]。企業(yè)若要提高今后的產(chǎn)品的核心競爭力，進行有限元分析優(yōu)化設(shè)計可以大幅提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、縮短研發(fā)周期。國外企業(yè)有限元分析優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)運用多年，已經(jīng)是形成常態(tài)化。國內(nèi)企業(yè)才剛剛起步，方興未艾。

1 門架建模

自由提升門架是一種自由提升門架是為了滿足有空間限制的環(huán)境作業(yè)需要而設(shè)計的[3]。在一定的高度內(nèi)可以進行貨物裝卸的一種新式門架。目前兩級自由提升叉車門架一般是由一個中置油缸和兩個邊置油缸來接力完成舉升的。其傳動部分相當于一個倒置的動滑輪，鏈條的一端固定另一工作端。以2.5t 自由提升門架為例說明，門架由外門架、內(nèi)門架、貨叉架、貨叉、提升滾輪組、提升鏈條、貨叉架提升油缸、內(nèi)門架提升油缸等組成，如圖1 所示。外門架的作用是承接整個門架和貨物的重力，連接至設(shè)備支架。內(nèi)門架可在其導(dǎo)軌槽內(nèi)上下滑動。構(gòu)件組成如圖2 所示，門架槽鋼常用材料20MnSiV、Q335B、16Mn、40Cr 等。利用SolidWorks 軟件對外門架零件進行建模后，完成裝配。

圖1 兩級自由提升門架結(jié)構(gòu)圖

圖2 外門架結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)門架作用是承載貨叉架和貨物的重力，讓貨叉架可在其導(dǎo)軌槽內(nèi)上下滑動，它可以在外門架上下滑動，通過提升油缸可以升高一定的距離，加高門架的作用[4]。構(gòu)件組成如圖3 所示，內(nèi)門架槽鋼一般常用材料20MnSiV、Q335B、16Mn、40Cr 等。利用SolidWorks軟件對內(nèi)門架零件進行建模后，完成裝配。貨叉架的作用是承接整個門架和貨物的重力，連接至設(shè)備支架。內(nèi)門架可在其導(dǎo)軌槽內(nèi)上下滑動，構(gòu)件組成如圖4 所示，貨叉架上下導(dǎo)軌一般常用材料Q335B、40Cr、16Mn、20MnSiV 等。利用SolidWorks 軟件對貨叉架零件進行建模后，完成裝配。

圖3 內(nèi)門架結(jié)構(gòu)圖

圖4 貨叉架結(jié)構(gòu)圖

2 有限元優(yōu)化分析

傳動的結(jié)構(gòu)設(shè)計僅依靠設(shè)計工程師個人經(jīng)驗或在已有的設(shè)計基礎(chǔ)上進行改進。設(shè)計出來后，進行試制生產(chǎn)，然后測試，發(fā)現(xiàn)問題后不斷改進，此過程既浪費的人力、物力和財力，又延長了開發(fā)周期。而基于機構(gòu)分析的結(jié)構(gòu)設(shè)計是一邊分析一邊試制，不停迭代產(chǎn)品，達到最優(yōu)后，才能完成一個產(chǎn)品周期。而采納了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是在研發(fā)階段就進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，得出最佳的設(shè)計結(jié)構(gòu)后試產(chǎn)，然后完成一個產(chǎn)品周期。可以看出后者是最佳選擇?？梢钥s短開發(fā)周期，減少產(chǎn)品迭代次數(shù)。各種研發(fā)對比如下圖5所示。

圖5 各種研發(fā)形式對比圖

2.1 門架槽鋼的參數(shù)優(yōu)化

由于受外形尺寸的限制，這里僅對外門架槽鋼進行材質(zhì)參數(shù)的優(yōu)化舉例。在外形不變的情況下，在simulation 插件中通過選用多種不同的材質(zhì)下進行分析優(yōu)化見表1，最終選擇40Cr 材料后達到最佳使用的要求。靜應(yīng)力分析如圖6 所示，對比圖6 兩種材料的應(yīng)力和最大變形可知，最大屈服力提升77.2%，最大位移減少76%，其詳細結(jié)果見表2。

表1 外門架槽鋼的分析數(shù)據(jù)

圖6 外門架靜應(yīng)力分析圖

不受外形限制的零部件可以用參數(shù)優(yōu)化進行外形輪廓優(yōu)化，在simulation 中對其結(jié)果進行優(yōu)化，內(nèi)門架油缸頂板和外門架上橫梁通過軟件自動參數(shù)優(yōu)化后其結(jié)果如圖7 所示。由7（a）可知，內(nèi)門架油缸頂板厚度從原來的30 mm 降到25 mm，厚度減少16.7%；頂板直徑從60 mm 降到55 mm，直徑減小7.5%；重量從11.74 kg 降到9.45 kg，重量減輕19.5%；由圖7（b）可知，外門架上橫梁通過軟件自動參數(shù)優(yōu)化后，板寬從原來的300 mm 降至200 mm，板寬度減少33.3%。厚度從原來的100 mm 降至50 mm，板厚度減少50%；重量原來的41.78 kg 降至17.77 kg，重量減輕57.2%。其具體結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化后前后對比

圖7 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

2.2 門架的拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化（topology optimization）是指從最大設(shè)計空間開始考慮應(yīng)用的所有載荷[5]，夾具和制造約束，通過重新分配材料在允許的最大幾何體的邊界內(nèi)，在均勻分布材料的設(shè)計空間中尋找最佳的分布方案尋求新的材料布局的一種數(shù)學方法，示意圖詳見圖8。

圖8 拓撲優(yōu)化示意圖

除了門架槽鋼，H 型鋼，專業(yè)上下橫梁不可設(shè)計部分和不受外形限制的零部件用參數(shù)優(yōu)化，其它選定材質(zhì)的外形受影響零部件可以通過拓撲優(yōu)化進行不影響整體外形的減重優(yōu)化。以下以外門架支座板為例，如圖9 所示，通過該結(jié)果再返回修改原模型得出新的結(jié)構(gòu)如圖10 所示，既能滿足強度要求，優(yōu)化后零件最大屈服應(yīng)力221 MPa 不變，最大位移幾乎不變，重量從2.68 kg 減小到2.2 kg，重量減輕19.5%。

圖9 外門架支座拓撲優(yōu)化結(jié)果

圖10 外門架支座拓撲優(yōu)化前后對比圖

3 結(jié)論

（1）通過對門架槽鋼、H 型鋼、貨叉架的上下橫梁進行參數(shù)優(yōu)化，從原來使用Q355B 改成40Cr，在重量不變的情況下，提高了門架的強度，最大屈強度提升了77.2%，最大位移減少76%。

（2）在強度不變的情況下對其他部件進行參數(shù)優(yōu)化和拓撲優(yōu)化，減少優(yōu)化部件的厚度，把門架總成的總體重量從696.186 kg 減到了652.566 kg，共減輕了43.62 kg 重量，總重總體減輕6.3%。

（3）改變其研發(fā)形式，提高了研發(fā)與制造的速度，縮短了周期，也為門架優(yōu)化設(shè)計提供了一些思路與方法。