叉車配重支架靜力學分析及優化

摘要：叉車配重支架的靜力學性能直接影響著整機性能，因此叉車的配重支架設計在整車設計中占有重要地位，本文應用有限元方法研究了10噸叉車配重支架的受力特性，并對原有叉車配重支架進行了結構優化，降低了整機重量，節約了生產成本。

關鍵詞：物流機械 叉車車架 叉車尾架 靜力分析 優化設計 有限單元法

0 引言

叉車配重支架承載著發動機、平衡重等關鍵部件，承受作用在其上各種力和力矩，其剛度強度也影響著整機的性能，由于叉車的工況比較復雜，同時配重支架的受力情況也相對復雜，無法利用數學方法對其受力情況進行精確的計算，因此隨著計算機的發展，利用有限元方法已成為國內外解決復雜結構靜力分析的重要手段，并能大大的縮短產品開發周期。

1 叉車配重支架有限元模型的建立

叉車配重支架有限元模型的建立是對模型進行有限元計算的基礎，也是能否計算出準確結果的關鍵。

1.1 建立實體模型

本文研究的叉車配重支架是由很多鋼板經焊接組成的，利用ProE軟件繪制叉車配重支架模型，并對模型結構進行適當的簡化，從而縮短計算時間，降低計算成本。

將簡化好的配重支架模型利用stp接口導入到ansys workbench環境中，如圖1所示：

1.2定義材料屬性

叉車配重支架材料一般為Q235和Q345，除左右兩側板材料為Q345外其余均為Q235，許用應力分別為235Mpa和345Mpa。

1.3劃分網格

尾架模型利用CAE分析軟件自動化分網格，劃分后共有18013個節點，4905個單元。

2 添加邊界條件并施加載荷

2.1 邊界條件

根據叉車配重支架的實際受力情況，可將配重支架與左右車架焊接的部位視為固定鉸支座。

2.2 施加載荷[1]

叉車的配重支架主要承受來自發動機、水箱、配重等關鍵部件的力和力矩，受力情況比較復雜。為了降低分析難度，提高分析精度可根據叉車整機在不同工況下前后橋的載荷分布情況對配重支架進行受力分析。滿載時后橋受力約為整機重量的10%，空載時后橋受力約為整機重量的60%，該10噸叉車整機重量為12.8t，經計算滿載時后橋受力大小約為2.28噸，空載時后橋受力約為7.86噸，叉車工作時另一種極限工況是叉車在受到沖擊載荷時后橋脫離地面的情況，此時后橋不受力僅有主副配重作用到配重支架上，配重支架所受合力大約為4.7噸，根據以上分析只要配重支架在空載以及后橋在受到沖擊載荷剛好離開地面這兩種危險工況下符合強度要求即可滿足叉車配重支架設計要求。

以上兩種工況下配重支架所受的載荷如表所示：

3 配重支架危險工況下有限元分析[5]

經對車架有限元模型的網格，載荷以及邊界條件進行仔細的檢查無誤后，對其進行后處理求解分析，利用系統的“自動”求解算法進行求解分析。

根據有限元分析得出空載工況和后橋剛離開地面兩種危險工況下的應力云圖和應變云圖。

4 結果分析

在空載狀態下配重支架的最大應力在左右支撐板的焊縫處為94.365Mpa，此最大應力是由于添加焊縫造成的，可忽略，因此最大應力出現在左右主板橫截面變化較大處，約為64Mpa，最大變形量出現在配重支架主板附近為0.42006mm，出當后橋剛好離開地面時，最大應力出現在配重掛耳處為69.274MPa，最大變形量也出現在配重支架掛耳處為0.49569mm。

根據叉車的受力情況可知，有限元分析結果與預測結果是相符的。

4.1 強度校核[1、2]

由分析結果可知，配重支架在兩種危險工況下最大應力分別為64MPa和69.274Mpa，遠小于左右主板和配重掛耳所用材料Q345鋼的屈服極限345Mpa，根據安全系數計算公式 ，可計算處兩種工況下的安全系數分別為5.39和4.98，對于配重支架，當n>2.5時，說明在該工況下是符合強度要求的，否則就有可能發生強度破壞，本文研究的車架安全系數均小于2.5，因此配重支架的結構強度完全滿足設計要求。

5 結構優化

以上配重支架符合剛度強度要求，但是結構相對復雜，無疑增加了焊接成本、工藝難度和材料成本，為減小以上弊端增加產品利潤，根據受力云圖受力趨勢對以上配重支架進行結構簡化，簡化后的模型如圖2所示。

用同樣的載荷以及網格自動劃分的方法建立有限元模型，并對模型在以上兩種危險工況下進行有限元分析。

經分析，兩種危險工況下配重支架受到的最大應力都出現在左右兩側主板橫截面變化最大的地方，并且都不滿足設計要求。因此在不影響整機安裝的情況下對該板的寬度進行優化。

對左右兩側主板最小截面的寬度進行優化，不同寬度變化，配重支架所受的最大應力如表3所示：

從優化結果可以看出，尾架的最大應力與左右兩主板的寬度有直接關系，寬度從200mm增大到320mm，最大應力在逐漸減小，280mm以后應力變化不大。因此經優化以后板的寬度更改為280mm。

經優化以后，除焊縫外最大應力出現的位置與預測結果相符，兩種危險工況下的安全系數分別為n=4.36和n=5.75分別符合配重支架的強度設計要求。

經簡化以后叉車配重支架的受力情況優于簡化以前，配重支架的重量從簡化前的513Kg降為簡化后的403Kg。不僅簡化了工藝難度還降低了生產成本，達到了期望的目的。

6 結語

有限元分析可以用于叉車的前期設計，通過分析結果可以提前發現問題，并能簡化結構實現產品的最優設計，降低成本，縮短開發周期。

參考文獻：

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作者簡介：周偉偉，女，中級工程師、助教，1984年10月出生、碩士學位，單位：淄博職業學院汽車工程系，單位所在地：山東淄博，