引言

　　全向側(cè)面叉車(以下簡(jiǎn)稱全向側(cè)叉)可以全方位轉(zhuǎn)向, 門架橫向移動(dòng), 側(cè)面裝卸貨物, 適用于場(chǎng)地窄長(zhǎng)區(qū)域作業(yè)。全向側(cè)面叉車車架是整車的主要承載部件, 其結(jié)構(gòu)影響到整車性能。由于門架安置在車架的中間部分, 在裝卸貨物時(shí), 門架做側(cè)向移動(dòng),故在車架的載貨平臺(tái)中間部分挖去門架工作所需要的空間，由于門架的落地高度有限制，將使得在挖空部位想局部加強(qiáng)是比較困難的，這些因素將嚴(yán)重的影響到車架的強(qiáng)度和剛度。因此, 車架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度及剛度計(jì)算分析非常重要。

　　本文以某型全向側(cè)叉車架為例進(jìn)行有限元分析，為了提高車架的整體強(qiáng)度和剛度，車架設(shè)計(jì)采用了框架和側(cè)蒙皮承載相結(jié)合的側(cè)板承載框架式車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即車架內(nèi)部采用框架結(jié)構(gòu)，外圍采用蒙皮側(cè)板結(jié)構(gòu)，外蒙皮和框架焊接起來(lái)承載重量。為了提高車架的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，在車架后部采用了多塊加強(qiáng)板。

　　1 車架有限元模型的建立

　　有限元模型的建立是有限元計(jì)算的基礎(chǔ), 也是能否得到精確計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵, 本文有限元模型程序主要包括以下幾個(gè)部分: 導(dǎo)入模型、幾何清理、有限元模型和多種工況約束條件的建立及載荷步的施加。

　　1.1 實(shí)體模型的導(dǎo)入及幾何清理：

　　本文所用的全向側(cè)叉采用Solidworks進(jìn)行實(shí)體建模，將模型轉(zhuǎn)換成step文件，并導(dǎo)入HyperMesh中，然后對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行幾何清理。半徑為5mm 以下的孔、過(guò)渡圓角或倒角以及2mm 以下的搭接邊上的凸臺(tái)等可以被清理。

　　HyperMesh軟件中有很強(qiáng)大的幾何清理能力。在模型導(dǎo)入后，抽取中面時(shí)部分面有可能破損或者變形，這就需要HyperMesh的幾何清理工具進(jìn)行幾何清理和幾何修補(bǔ)，以便得到很好的幾何形狀。幾何清理后的整體車架的實(shí)體模型如圖1所示。

　　圖1

　　1.2 有限元模型

　　1.2.1 全向側(cè)叉車架有限元模型處理整體方法

　　由全向側(cè)叉車架整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其有限元模型處理方法歸納如下：

　　1、全向側(cè)叉車架的外蒙皮以及很多的加強(qiáng)板都是由板結(jié)構(gòu)組成，適用殼單元模擬;

　　2、零件之間的焊接，采用剛性單元(RBE2)連接或共節(jié)點(diǎn)方式處理;

　　3、零件之間的螺栓連接，采用2個(gè)剛性單元(RBE2)分別連接螺栓孔，利用梁?jiǎn)卧?CBEAM)連接這兩個(gè)剛性單元;

　　4、懸架機(jī)構(gòu)按照實(shí)際情況加入在有限元模型中，因?yàn)椋绻麑⒓s束條件加在與懸架連接的車架上的螺栓孔處，不能反應(yīng)真實(shí)的約束關(guān)系，并且約束的位置將發(fā)生改變，這對(duì)計(jì)算結(jié)果是有影響的。因此，將懸架機(jī)構(gòu)按實(shí)際裝配位置加入，并且拉桿、輪胎固定軸等均采用梁?jiǎn)卧?CBEAM)進(jìn)行模擬;

　　5、槽鋼與槽鋼固定板之間采用(RBE2)剛性單元分別建立，然后通過(guò)梁?jiǎn)卧?CBEAM)模擬焊接區(qū)域;

　　6、作用在車架上的零件的重量(如油箱、防爆箱、蓄電池等)通過(guò)在作用位置添加質(zhì)量來(lái)模擬(MASS);

　　7、門架滑道上的受力采用將力加載在所在位置的單元節(jié)點(diǎn)上。

　　8、在整車工作時(shí)，輪胎存在偏斜受力，輪胎偏斜受力時(shí)，對(duì)于輪軸而言，采用釋放同一側(cè)兩個(gè)輪胎的輪軸方向的約束進(jìn)行模擬，固定另一側(cè)輪胎的該方向約束。

　　1.2.2 全向側(cè)叉車架有限元模型

　　全向側(cè)叉車架有限元模型如圖2，該有限元模型車架的受力標(biāo)記顯示的是貨物托盤在車架前端的情況，后端情況后面將進(jìn)行敘述。

　　圖2

　　1.2.3特殊處理的網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格質(zhì)量檢查與調(diào)整

　　槽鋼與槽鋼固定板之間的焊接，用RBE2單元和梁?jiǎn)卧餐M，如圖3所示。

　　圖3

　　焊接梁?jiǎn)卧臋M截面采用圓環(huán)，與實(shí)際情況吻合。懸架的有限元處理如圖4所示。

　　圖4

　　網(wǎng)格具有理想的形狀時(shí)，計(jì)算結(jié)果最好。而實(shí)際劃分的網(wǎng)格不可能一次性都達(dá)到理想形狀，那么計(jì)算結(jié)果將會(huì)受到較大的影響，所以對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的檢查顯得尤為重要。網(wǎng)格質(zhì)量檢查包括：?jiǎn)卧で取⒙N曲度、長(zhǎng)寬比、雅可比等諸多項(xiàng)目的檢查。檢查后對(duì)網(wǎng)格及相關(guān)模擬單元進(jìn)行調(diào)整，主要是對(duì)質(zhì)量不高的網(wǎng)格進(jìn)行局部網(wǎng)格重新劃分或作其他處理。

　　1.2.4模型材料及強(qiáng)度、剛度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

　　模型材料參數(shù)如表1：

　　表1 模型材料參數(shù)

　　強(qiáng)度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：

　　強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)=材料屈服極限/安全系數(shù)(1.2—1.5)

　　也可以由疲勞S-N曲線的近似估計(jì)(偏于保守)，其軸向拉壓載荷作用下的疲勞極限為：　

　　 取為極限抗拉強(qiáng)度。

　　由于模型不能夠很好的簡(jiǎn)化為特定的梁等結(jié)構(gòu)，所以剛度評(píng)判采用與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比的方法。

　　1.3 創(chuàng)建邊界條件

　　邊界條件是是實(shí)際工況在有限元模型上的表現(xiàn)形式。建立邊界條件一般需要兩個(gè)環(huán)節(jié)。一是對(duì)實(shí)際工況條件進(jìn)行量化，即將工況條件表示為模型上可以定義的數(shù)學(xué)形式;二是將量化的工況條件定義為模型的邊界條件。邊界條件是否符合實(shí)際，很大程度上決定了計(jì)算結(jié)果的精度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)確定的工況如表2所示：

　　表2 工況表

　　2 有限元靜力學(xué)分析及結(jié)果

　　利用HyperWorks中的OptiStruct求解器對(duì)車架的有限元模型進(jìn)行求解。

　　2.1 分析結(jié)果

　　圖5-6分別為工況1條件下的等效應(yīng)力和垂直方向的位移變形量，圖7-8分別為工況2條件下的等效應(yīng)力和垂直方向的位移變形量，圖9-10分別為工況3條件下的等效應(yīng)力和垂直方向的位移變形量。

　　圖5

　　圖6

　　圖7

　　圖8

　　圖9

　　圖10

　　2.2 靜力學(xué)分析結(jié)果評(píng)價(jià)

　　分析結(jié)果如表3所示。車架的變形趨勢(shì)與實(shí)際情況完全吻合，變形量的大小通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量為16mm左右，與計(jì)算結(jié)果比較吻合。對(duì)于等效應(yīng)力的驗(yàn)證，必須通過(guò)貼應(yīng)變片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。而對(duì)于工況1，等效應(yīng)力值相對(duì)應(yīng)力評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)滿足要求，而且根據(jù)強(qiáng)度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，安全系數(shù)為1.33，滿足使用要求。

　　表3 工況分析結(jié)果

　　對(duì)于工況2的分析結(jié)果，車架的位移變形量很大，主要是貨物在前端，左前端輪胎同時(shí)懸空造成的，而且輪胎也不可能懸空這么大的距離，很快就會(huì)與地面接觸。這種工況的應(yīng)力考核應(yīng)該按照一種極短時(shí)間的沖擊來(lái)考慮，這時(shí)強(qiáng)度考核標(biāo)準(zhǔn)主要按照屈服極限345 MPa來(lái)校核。工況3為貨物在后端，所以分析結(jié)果好于工況2。

　　經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，理論分析與實(shí)際比較吻合，應(yīng)力、變形情況均滿足使用要求。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　( 1) 通過(guò)對(duì)全向側(cè)面叉車車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析, 掌握了車架的變形情況和應(yīng)力情況，為設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

　　( 2) 將計(jì)算結(jié)果與全向側(cè)叉車架變形量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，誤差在允許的范圍內(nèi)。這主要是因?yàn)橛邢拊Ｐ筒捎昧撕?jiǎn)化的處理方法。

　　( 3) 根據(jù)客戶使用的環(huán)境和路面情況，出現(xiàn)第二種和第三種工況的可能性很小，因此，認(rèn)為該車架滿足要求。

　　( 4) 在門架最大外移叉裝作業(yè)時(shí), 車架的中間連接處出現(xiàn)最大位移變形量，會(huì)使內(nèi)外門架向外傾斜, 影響叉車的側(cè)向穩(wěn)定性。因此，在車架叉貨的一側(cè)增加兩個(gè)支撐腿以確保安全。