仇立新

天津港遠(yuǎn)航礦石碼頭有限公司

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基于ANSYS的新型側(cè)面叉車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

仇立新

天津港遠(yuǎn)航礦石碼頭有限公司

利用ANSYS有限元分析軟件對某一新型四輪獨(dú)立360°全回轉(zhuǎn)側(cè)面叉車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體有限元計(jì)算，并對車架的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行了全面的分析。根據(jù)車架分析的結(jié)果對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使局部應(yīng)力過大的情況得到了有效改善。

全回轉(zhuǎn)； 側(cè)面叉車； 車架； ANSYS

1 引言

本次研究的新型四輪獨(dú)立360°全回轉(zhuǎn)側(cè)面叉車，結(jié)構(gòu)新穎、設(shè)計(jì)約束復(fù)雜，尚無可借鑒的對象模型，具有一定的局限性和盲目性，可能導(dǎo)致新型叉車的結(jié)構(gòu)缺乏合理性。故本文以該新型側(cè)面叉車車架為研究對象，利用ANSYS有限元軟件對車架的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行了全面的分析，并以對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化為最終研究目的，試圖為該機(jī)型車架的改進(jìn)和設(shè)計(jì)提供一定的參考。

2 車架的基本結(jié)構(gòu)形式

該車架結(jié)構(gòu)主要由長度、寬度和厚度不一的金屬薄壁板焊接而成，車架結(jié)構(gòu)使用的材料是Q345鋼。實(shí)體建模過程中對事物進(jìn)行一定的合理簡化，其實(shí)體模型及基本構(gòu)成見圖1。

3 車架的有限元分析

3.1 有限元模型的建立

在solidworks中建立好模型之后，將之保存為*.STEP的格式，之后通過專門的接口導(dǎo)入ANSYS軟件中，通過檢查發(fā)現(xiàn)幾何數(shù)據(jù)基本沒有丟失，模型也沒有失真，因此可以進(jìn)行下一步工作[1]。由于車架結(jié)構(gòu)是由板焊接而成，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分前需要進(jìn)行大量的布爾粘合操作(Operate)。選用實(shí)體單元SOLID45來對新型側(cè)面叉車車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分(mesh)，劃分采用自動(free)生成。車架有限元模型見圖2。模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為149 680，單元數(shù)為524 826。

圖1 新型側(cè)面叉車車架的實(shí)體模型及主要部件名稱

3.2 分析工況

側(cè)面叉車車架危險(xiǎn)工況主要分為2類：第一類是門架伸至最外端，貨叉插取貨物至最高點(diǎn)，貨物滿載；第二類是叉車行走時(shí)，門架縮回，滿載貨物位于載貨平臺上，且1個輪子懸空[2]。實(shí)際操作中主要是發(fā)生第一類情況，本文也將對第一類情況進(jìn)行分析。

圖2 車架有限元模型

第一類工況下，對于新型側(cè)面叉車的車架而言，車架結(jié)構(gòu)受到的約束主要來自4個車輪，在施加約束時(shí)，可將約束添加在車架與車輪相連接的面上，為全約束[3]。

對于新型側(cè)面叉車車架而言，車架所受到的載荷主要是門架系統(tǒng)作用在導(dǎo)軌上的力，以及駕駛室、蓄電池、電機(jī)對車架的力，其中，需要支撐貨物與門架系統(tǒng)的載荷F1與F2由導(dǎo)軌來承受，F(xiàn)1=39 428 N，F(xiàn)2=18 424 N；車架受到駕駛室的作用力F3=2 450 N；車架受到蓄電池的作用力F4=7 840N；車架受到電機(jī)的作用力F5=2 450 N。駕駛室位于車架的右側(cè)，電機(jī)位于車架左側(cè)，與駕駛室成對稱布置，蓄電池位于車架結(jié)構(gòu)的中部。力的施加位置見圖3。

圖3 載荷分布圖

4 有限元結(jié)果分析

門架伸至最外端，貨叉插取貨物至最高點(diǎn)，貨物滿載的工況下，車架的應(yīng)力云圖和位移云圖分別如圖4和圖5所示。

由應(yīng)力云圖可知，該車架最大應(yīng)力出現(xiàn)在車架左側(cè)懸架支座與車輪連接處，最大應(yīng)力值為253 MPa。該車架的材料為Q345，安全系數(shù)取1.5，則其許用應(yīng)力為[σ]=230 MPa。由位移云圖可知，該車架最大垂直位移出現(xiàn)在門架左側(cè)軌道下方，最大位移值為3.73 mm，這數(shù)值是滿足設(shè)計(jì)要求的。且在設(shè)計(jì)時(shí)，在車架叉貨的一側(cè)增加了2個支撐輪，來確保叉車的側(cè)向穩(wěn)定性。因此，該車架結(jié)構(gòu)是滿足設(shè)計(jì)要求的。

圖4 車架應(yīng)力云圖

圖5 車架位移云圖

5 車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

針對車架局部應(yīng)力過大的情況和對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的目的，對叉車車架主要板件的厚度優(yōu)化結(jié)果見表1。

表1 設(shè)計(jì)變量優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后車架的體積較優(yōu)化前下降了15.8%；優(yōu)化后的車架應(yīng)力云圖如圖6所示，最大應(yīng)力仍出現(xiàn)在左側(cè)前輪獨(dú)立懸架支座與車輪連接處，最大應(yīng)力值為228 MPa，小于其許用應(yīng)力；優(yōu)化后的位移云圖如圖7所示。

圖6 優(yōu)化后應(yīng)力云圖

圖7 優(yōu)化后位移云圖

該車架最大垂直位移仍出現(xiàn)在門架左側(cè)軌道下方，最大位移值為4.16 mm，其值較優(yōu)化前略有增加，但是由于在車架叉貨的一側(cè)增加了2個支撐輪，因此也是滿足設(shè)計(jì)條件，優(yōu)化的結(jié)果是有效的。

6 結(jié)語

本文利用三維建模軟件和有限元分析軟件對新型側(cè)面叉車車架進(jìn)行了整體的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性分析，認(rèn)為原車架結(jié)構(gòu)基本是合理的，但仍有需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。車架經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)后，局部應(yīng)力過大的情況得到了有效改善，車架結(jié)構(gòu)整體輕量化程度顯著，更加安全可靠，可大大節(jié)約原材料成本，對新型側(cè)面叉車車架的改進(jìn)和設(shè)計(jì)有一定的參考意義。

[1] 陶元芳,衛(wèi)良保.叉車構(gòu)造與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2] 吳迪清,盧炎麟,陳宛兵,傅飛均.基于有限元的叉車車架模態(tài)分析及優(yōu)化[J].輕工機(jī)械,2010(4)：47-50.

[3] 王志強(qiáng),卞學(xué)良,羅明軍,等.側(cè)面叉車車架結(jié)構(gòu)與有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2007(9):13-15.

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The Structure Optimization Based on ANSYS for a New Kind of Side-loading Forklift

Qiu Lixin

Yuanhang Ore Terminal Co. Ltd., Tianjin Port

The finite element calculation is established with ANSYS software for the mast structure of a new kind of four-wheel independent and 360 degrees full-rotating side-loading forkliftwith. And the frame strength, stiffness and stability is analyzed entirely. The mast structure is optimized with the result of mast analysis and the situation of too much local stress is effectively improved.

full-rotating; side-loadingforklift; mast; ANSYS

2016-07-13

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.06.007