叉车货叉架结构强度分析

文 / 杨左文

一、引言

叉车作为物料运输，整理和堆垛的工程机械，在重工业、船舶建造、制造工业、食品工业、物流运输等很多场合得到广泛使用[1]，并且它在全球化的物料流通领域起着不可或缺的重要作用。而叉车货叉架是叉车搬运体系结构中重要的力承载执行构件之一[2]。如果货叉架结构强度不足，会导致货物无法搬运，货物跌落，货物损失并带来较大安全问题。

随着全球化产品商贸的快速发展，以及物流行业的快速发展，叉车的全球需求近年来出现井喷现象。传统的设计研发体系已经不能够满足叉车系统、机构、材料等多项因素快速发展的要求。缩短研发周期，降低产品成本，提高产品品质，成为目前叉车行业内竞争的重要指标。

近几年，现代计算机技术迅猛发展，使得计算机成为了工程机械设计的重要工具。CAD建模软件使得结构设计周期大大缩短，CAE分析软件缩短了产品的设计验证周期，CAD与CAE结合是叉车研发设计的主流趋势。

二、建模

建立三维数模，并将结构离散化形成有限元模型。

该分析方法为有限元分析方法，有限元法作为一种新兴的数值分析方法，是现代计算机技术、力学和应用数学相结合的产物，是目前工程分析领域应用最为广泛的数值计算方法，同时，有限元分析技术也是计算机辅助工程 CAE的一门新兴技术[3]。

1. 有限元法基本原理

有限元法是一种数值分析方法，近似求解控制方程。其基本思路是：将研究对象进行离散化，离散为有限个单元，以单元节点力或节点位移作为未知量进行求解[4]。有限元法是用各个单元的近似函数来表示全求解域上的未知场函数。各单元的近似函数一般是由未知场函数以及它的导数在该节点上的数值及其插值函数表示的。这样，就可以实现连续的无限自由度问题向离散的有限自由度问题的转化。通过求解节点的未知量，使用插值函数求得各单元场函数的近似值，便可计算出整个待求域的近似解。从理论上来说，无限增加单元的划分数量，便可得到问题的精确解。但是由于计算设备、计算量的限制，在实际工程问题中，求解域上的近似解只要达到一定精度要求、满足工程需要即可。

2. 三维模型

利用CAD三维软件根据设计要求，结合经验设计初版三维货叉架结构模型（见图1）。

图1 货叉架三维模型

货叉架是由若干零部件组成，部分零部件对其结构强度影响较小，若将所有的零部件作为仿真研究对象会使得计算规模特别大，计算过程中产生较大误差。因此，在保证计算精度的前提下，有必要对货叉架模型做一些简化。根据对货叉架的受力分析，货叉架主要受到门架、货物、以及链条的作用。为了更好地模拟链条与门架对货叉架的作用，建立部分门架以及链条下端螺母三维模型，对货叉架模型进行简化时，应从以下几个方面着手：

（1）对仿真结果只产生较小影响或无影响的细节特征可以忽略，如螺母、螺栓、焊缝等。同时，可以忽略半径在 5mm以下的孔以及倒角。此外，将门架立柱以及横梁等焊合件作为一个整体零件绘出。

（2）将模型结构中对力学性能影响较小的工艺圆角简化为直角，这样在分析计算时网格质量较好，利用的资源较少，而且对分析结果不会带来很大影响。

图3 货叉架有限元模型

3. 货叉架受力分析

在工作过程中，货叉架受到货物重力对其的作用G。门架对滚轮的作用力F1、F3，以及链条对其的作用力F2。受力简化示意图如图2所示。不同使用工况下，滚轮与门架直接作用力的方向不同，具体受力方向需要根据计算得出。

图2 货叉架受力简化示意图

4. 有限元模型

有限元模型即有限元分析计算模型，需要将分析对象离散化为有限单元，并为单元定义材料属性，定义组件之间关系，以及边界条件。并输出有限元分析模型（.inp格式）。

（1）几何模型导入

首先，在三维建模软件中将货叉架模型保存为 Parasolid（＊. x_t）格式，该文件格式可以在CAD与CAE软件间相互转换，从而实现模型的数据共享。然后，打开有限元分析软件，导入三维模型。

（2）网格划分

有限元分析中，施加在模型上的约束以及载荷，都是传递到单元和节点上进行计算的，网格划分是有限元分析的基础。根据复杂理论计算推导可以得知六面体单元具有计算精度较高，且计算规模较小，二阶四面体同样具有较高的计算精度，故在该分析中将较为规则的结构经过切割，进行六面体网格划分，不规则结构直接使用二阶四面体单元。由于该分析中螺栓位置非关注位置，故以RBe2刚性单元代替螺栓连接。由于货物非研究对象，但其重量会对货叉架结构产生影响，故在货物中心位置建立质点，并用RBe3单元将其重力分布到货叉上。货叉架有限元模型单元总数为493020，节点总数为676461。

（3）材料属性定义

叉车货叉架不同零部件的材料是不同的，各零部件的材料及材料特性如表1所示。

表1 货叉架各零部件材料及材料特性

表中材料参数来源于某材料库。托盘为非关注件，故其材料设置为Q355。滚轮实际结构比较复杂，为了后期计算更加顺畅，其材料简化为轴承钢。货物简化为质点，建立mass单元，其质量为恶劣工况中超载时的质量，即1.33倍额定载荷。

（4）接触关系

实际中横板与纵板之间为焊接关系，在有限元静力学计算中，通常情况下焊缝位置均使用共节点的连接方式。货叉与横板之间有螺栓固定，在有限元模型中使用Tie将两个接触面绑定。滚轮与导轨之间接触为非线性接触。建立滚轮与导轨之间的接触，摩擦系数设置为0.05。滚轮与货叉架的连接方式采用RBe2连接方式连接。

（5）分析工况以及约束载荷

叉车工作时有多种工况，其货叉架受力也十分复杂，无法对每个工况进行受力分析，因此，只对其典型受力工况做简化分析。

工况1：重力工况，当货物在取货时，货叉架只受到货物重力作用；

工况2：纵向冲击工况，当货叉架从高位取到货物后下降急停时，货叉架受到货物对其纵向冲击作用；

工况3：加速工况，当叉车向前启动加速行驶时，货叉架受到货物的重力作用和向后的惯性力作用；

工况4：制动工况，当叉车向前制动减速时，货叉架受到货物的重力作用和向前的惯性力作用；

工况5：转弯工况，当叉车向侧向转弯时，货叉架受到货物的重力作用和另一侧的惯性力作用；

工况6：货物偏载150mm时，重力工况；

工况7：货物偏载时，纵向冲击工况；

工况8：货物偏载时，加速工况；

工况9：货物偏载时，制动工况；

工况10：货物偏载时，转弯工况。

对门架下端位置和链条螺母进行全自由度约束。以inp格式输出有限元模型。

表2 货叉架计算工况及加载载荷

图4 货叉架约束位置

三、后处理

新建计算文件夹，将调用有限元求解器的批处理程序文件与有限元分析模型文件共同放入，双击批处理程序，批处理程序自动调用后台求解器，对有限元模型进行求解计算。最后在该计算文件夹中生成求解过程文件与求解结果文件。经过计算得到计算结果文件（odb文件）。

工况1：重力工况计算结果：

根据应力云图（如图5）可以看出：纵板与横板焊接位置的最大应力为 198 MPa，该位置存在较为明显的应力集中，挂板材料为Q355，其屈服应力为198 MPa。对于塑性工程材料，安全系数通常取1.5（在其他工况评价中均取该系数）。则在该工况下，挂板的安全系数为N = 355 MPa / 198 MPa = 1.79 >1.5，因此该位置满足强度要求。

图5 重力工况下货叉架应力云图

工况2：纵向冲击工况计算结果：

根据应力云图（如图6）在纵向冲击载荷作用下，纵板与横板焊接位置应力最大达到297 MPa，安全系数N = 355 MPa /297 MPa = 1.19 <1.5，不满足强度要求。

图6 纵向冲击工况货叉架应力云图

工况3：加速工况计算结果：

如图7，纵板与横板焊接位置应力最大达到172 MPa，安全系数N =355 MPa / 172 MPa = 2.06 >1.5，满足强度要求。

图7 加速工况下货叉架应力云图

工况4：制动工况计算结果：

如图8，纵板焊接位置应力最大达到250 MPa，安全系数N = 355 MPa /250 MPa = 1.42 < 1.5，不满足强度要求。

图8 制动工况下货叉架应力云图

工况5：转弯工况计算结果：

如图9，纵板与横板焊接位置应力最大达到255 MPa，安全系数N =355 MPa / 255 MPa =1.39 < 1.5，不满足强度要求。

图9 转弯工况下货叉架应力云图

考虑到文章篇幅，在偏载工况中选取恶劣工况：

工况7：偏载纵向冲击工况计算结果：

如图10，纵板与横板焊接位置应力最大达到298 MPa，安全系数N =355 MPa / 298 MPa =1.19 < 1.5，不满足强度要求。

图10 偏载纵向冲击工况下货叉架应力云图

工况9：偏载制动工况计算结果：

如图11，纵板与横板焊接位置应力最大达到238 MPa，安全系数N =355 MPa / 238 MPa =1.49 < 1.5，不满足强度要求。

图11 偏载制动工况下货叉架应力云图

工况10：偏载转弯工况计算结果：

如图12，纵板与横板焊接位置应力最大达到272 MPa，安全系数N =355 MPa / 272 MPa =1.3 < 1.5，不满足强度要求。

图12 偏载转弯工况下货叉架应力云图

由以上分析结果可知，在纵向冲击、制动以及转弯工况下挂板不满足强度要求，货叉架中纵板与横板焊接位置应力集中是由于悬臂结构造成，建议取消悬臂。纵向加载较大时纵板在纵向承受压力，板圆角对结构并无作用，反而增加工序，建议取消圆弧。

四、设计改进

根据计算结果得出该位置确实存在应力集中，取消原为避让货叉架侧移器而安装的悬臂和圆角，货叉架侧移功能由自动变为手动调节。输出三维模型，并定义有限元模型（如图13）。

图13 改进前后货叉架三维模型

改进后纵向冲击工况下应力云图如图14所示。

图14 纵向冲击工况下改进后货叉架应力云图

改进后货叉架应力值均小于许用应力值，纵向冲击工况最大应力值为139 MPa, 安全系数N = 355 MPa / 139 MPa = 2.55 > 1.5，满足强度要求。

改进后偏载纵向冲击工况下应力云图如图15所示。

图15 偏载纵向冲击工况下改进后货叉架应力云图

改进后货叉架应力值均小于许用应力值，偏载纵向冲击工况为最恶劣工况，最大应力值为148 MPa, 安全系数N = 355 MPa / 148 MPa = 2.40 > 1.5，满足强度要求。

其他工况不再做过多赘述。

根据仿真计算结果可知，改进后模型比改进前模型强度方面得到较大提升。有效地规避了设计风险位置。

五、总结

本文简单介绍了传统的设计方法以及有限元基本原理；以货叉架结构设计为出发点，详细介绍了CAE结构强度分析过程；以线性结构静力学分析为基础，详细介绍了典型工况下货叉架有限元模型的建立过程；对货叉架的强度进行了有限元分析，通过验证发现货叉架结构中存在应力集中，通过计算结果分析出应力集中的原因；并对货叉架薄弱位置进行改进设计与有限元验证，通过分析改进后货叉架结构强度满足强度要求。

由以上分析可以明显看出CAE分析的重要性和合理性，可以较大地缩短研发周期，减少设计—试验的循环次数，在试验前规避一些薄弱点，降低损失。CAE仿真分析是科学研发过程中不可缺少的一环，在研发体系中扮演着越来越重要的角色。