基于ABAQUS的某型雙前驅三支點電動叉車車架靜態強度分析

張靈曉+喬常鑫

摘要：介紹了一種新型雙前驅三支點電動叉車的車架結構，利用CATIA軟件平臺，對車架進行三維實體建模，通過中性格式STP文件類型將實體數模導入ABAQUS軟件環境中，采用TIE約束處理車架焊接問題，利用ABAQUS/Standard求解器計算分析極限工況下車架關鍵結構的強度和剛度，為未來電動叉車新產品的研發設計提供相關依據。

Abstract： This paper introduces the frame structure of a new type of three wheel electric with dual front wheel drive， using CATIA to carry out 3D solid modeling of frame， the entity digital model is imported into ABAQUS software environment through STP format， using TIE constraint to deal with welding problem of frame， using ABAQUS/Standard solver to calculate and analyze the strength and rigidity of the key frame of the frame under the limit condition， to provide the relevant basis for the future R & D of new electric forklift products.

關鍵詞：雙前驅三支點電動叉車車架強度；ABAQUS/Standard ；有限元分析

Key words： Three wheel electric with dual front wheel drive frame strength；ABAQUS/Standard；finite element analysis

中圖分類號：TH242 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）32-0104-02

1 雙前驅三支點電動叉車特點

電動叉車以電為動力，具有綠色環保、能量轉換效率高、運行成本低廉、易操作等特點。三支點電動叉車，由于整車尺寸小，機動性高，轉向靈活，可以實現90°轉向，特別適合在通道空間狹小的冷庫、貨倉等封閉區域進行物料轉運作業，可以最大化地滿足企業需求。

雙前驅電動叉車有別于一般的單驅電動叉車，它由兩個前輪邊驅動單元組成，每個單元分別由一個驅動電機經過輪邊減速器直接驅動前輪運行。叉車轉彎時，主控制器根據轉向橋上轉向傳感器輸出的轉角大小及方向分別控制兩個驅動電機轉速大小，從而實現叉車的原地90°轉向功能。

2 雙前驅三支點電動叉車車架結構

雙前驅電動叉車在結構設計上取消了直接焊接在車架上的燃油箱，為了滿足狹小空間作業要求，同時保證電池續航時間，需要在整車尺寸較小的車架內部預留較大空間用來布置大容量電池模組以及電控系統，這勢必會影響到整車車架強度，因此，車架的結構和強度計算分析顯得尤為重要。

某型1.6T三支點純電動叉車車架由前驅動橋安裝總成、后轉向橋安裝總成、左右車身總成幾部分拼裝焊接而成。工作裝置底部與前橋安裝總成下部的門架安裝支架通過銷軸鉸接，工作裝置的中部通過傾斜油缸與焊接在車架上的油缸安裝底座鉸接。

當叉車滿載工作時，車架上的門架安裝支架承載了工作裝置大部分的載荷，該部分的強度直接影響到整個工作裝置的安全。在設計中，為了加強門架安裝支架的抗彎曲強度強度以及整個前橋安裝總成的剛度，左右門架安裝支架之間焊有加強桿。

為了布置較大體積的電池模組，車架為中空的電池倉。載荷只能門架安裝支架，左、右車身側板傳遞到后橋總成的配重體。左、右車身側板為厚度6mm的Q235鋼板，為了保證其強度，其內部焊有折彎的加強板，如圖1所示。左、右車身側板為聯結叉車前后總成的重要總成部件，它的強度對整個叉車車架的強度及剛度起到至關重要的作用，因此，在進行有限元分析計算時我們應該重點關注這一區域的受力情況。

3 雙前驅三支點電動叉車車架有限元模型建立

3.1 實體模型導入

利用CATIA對車架進行實體建模，將模型導入ABAQUS之前，需要對數模進行簡化處理，忽略對整理強度影響較小的零部件，同時刪除不必要零部件細節如：5mm以下圓孔、螺紋孔、尖角、凸臺等等。

模型導入后，變形體的每個區域必須指定一個包含材料定義的截面屬性。由于車架零件材料主要為Q235A鋼板，同時為滿足強度要求，部分零件如門架安裝支架、驅動橋安裝板、傾斜油缸安裝支架、配重塊安裝支架等采用Q345。

3.2 工況分析

叉車作業中有多種復雜工況，其中一種較為普遍的惡劣工況為當叉車滿載貨物勻速行駛時，由于載貨自重，整車重心將前移，車架受到來自載重及工作裝置重力產生的翻倒力矩，車身將發生傾翻趨勢。

車架自重以及配重體重力產生的穩定力矩Mwd與載重及工作裝置重力產生的翻倒力矩Mft的比值K為稱為穩定系數。當穩定系數K<1時，叉車將發生傾翻。當K=1時，叉車處于平衡的臨界狀態，其后輪與與地面之間的作用力為0。此時，由于傾翻力矩與穩定力矩的共同作用，叉車車架將產生彎曲變形，即彎曲工況。

3.3 網格劃分和施加邊界條件

對于本分析模型，采用20節點六面體減縮積分單元（C3D20R），對于部分結構簡單的零件采用結構化網格劃分，大部分形狀相對復雜的零件采用掃掠網格劃分。對于重點關注的門架安裝支架、車身側板等區域，適當提高網格密度，以提高模擬的精度。建立的車架有限元模型，共計27354單元。endprint

彎曲工況下，前輪為支撐點，左、右驅動橋通過螺栓分別固定于車架的前驅動橋安裝總成上。首先對車架的左、右驅動橋安裝板分別進行如下約束：YSYMM（U2=UR1=UR3=0）；其次對后橋安裝總成限制U2（垂直方向）的平移自由度。對車架施加載荷時，選擇Mechanical作為分析類型和Pressure作為具體形式施加。

由于車架是拼裝焊接而成，因此需要對焊接件進行約束處理。應用Interaction模塊中選擇TIE約束，對車架模型的中焊接零件綁定在一起，使二者之間不發生相對運動，相當于焊在一起。

4 有限元分析結果

車架整體的應力云圖如圖2所示，計算結果表明，在彎曲工況下，車架呈現出了沿U2（車架縱向）方向的彎曲變形。最大應力區域為前輪罩板與車身側板焊接區域，最大應力為178.3MPa。門架安裝支架與驅動橋安裝板的焊接區域應力接近于最大應力值。設計時，須重點關注這兩處的強度：一方面適當增加這兩個區域板材的厚度，選用強度更高的Q345；另一方面，適當提高此處焊縫高度，確保焊縫強度滿足設計要求。

由于該工況較為惡劣，車架前橋安裝總成變形較大，最大變形點位于前輪罩板處，最大變形量為0.354mm。設計時，應該考慮增加車架的整體剛度，將護頂架前后端分別焊接在車架的前輪罩板與后橋安裝總成上，形成封閉式的框架結構，如圖3所示，以保證車架的整體剛度。

5 結論

本文以某型1.6T雙前驅三支點電動叉車車架為例，討論分析了典型工況下車架受力情況以及在Abaqus軟件中對車架載荷、約束施加方法，利用Abaqus/Standard求解器，對車架進行靜態強度校核。計算結果發現，車架的較大應力位于主要的承載零部件處--前橋安裝總成以及車身側板總成等，車架的強度以及剛度滿足設計要求。同時，為了提高車架的整體強度以及剛度，提出了在設計時需要重點關注的一些問題。為后續雙前驅電動叉車的車架設計提供相關的參考依據。

參考文獻：

[1]石沛林，張櫓，李朋超，等.基于Workbench的叉車車架有限元分析[J].煤礦機械，2015.

[2]吳小峰，李戈操，張巖，等.某型內燃平衡重視叉車車架的靜動特性分析[J].工程機械，2014.

[3]趙騰倫，姚新軍，等.ABAQUS6.6在機械工程中的應用[M]. 北京：中國水利水電出版社，2007.

[4]陶元芳，衛良保.叉車構造與設計[M].北京：機械工業出版社，2010.endprint