叉車轉向橋有限元軟件的開發與應用分析

王彬 馬成云

合肥和安機械制造有限公司 安徽 合肥 231200

1 有限元計算要點

使用常規ANSYS、ABAQU軟件對轉向橋進行仿真設計，通常需要經過多個步驟，不僅效率較低，最終效果也難以得到保證，在此背景下，有關人員指出應將開發有限元軟件的工作提上日程，以此來彌補常規軟件所存在不足。有限元計算所依托基礎為三維模型，對模型進行建立時，有關人員應對存儲規律引起重視，充分利用產品數據庫所存儲各項參數完成計算工作，確保所建立分析模型能夠發揮出應有作用。隨后，再借助所建立模型進行計算，將計算所得數據以較為直觀的方式進行展示。

2 有限元軟件開發

以廠家所提供圖紙為依據，對轉向橋所適用計算模型進行建立。考慮到轉向橋多為對稱結構，除特殊情況外，均可將整體的1/2視為計算模型，在保證計算精度和有效性的前提下，對局部進行相應的簡化[1]。

2.1 建立模型

由于轉向橋內部往往無須搭載制動器，在建立模型時，通常不需要考慮車輪所承受切向力，而是將重心放在側滑所產生橫向力、垂直力上。在確定計算載荷時，應對不同工況所表現出特點加以考慮，轉向橋常見工況如下：

其一，側向力最大。簡單來說，就是叉車處于空載轉向工況時，受離心力影響，車輪往往會呈現出臨界側滑的狀態，對側向力進行計算的公式為：

其二，垂直力最大。空載叉車通過凹凸不平的路段時，其內部將產生一定動載荷，使得垂直反力快速增加[2]。由此可見，垂直力極易受到輪胎彈性、行駛速度還有路面情況的影響，相關計算公式為：

2.2 開發前處理模塊

基于轉向橋示意圖對網格進行劃分的關鍵是對物體進行離散化處理，利用15節點或是20節點對轉向橋進行填充，曲面可借助空間插值函數做擬合處理，保證節點編號可達到帶寬最小的要求，這樣做能夠在極大程度上縮短計算時間。為確保計算所得結果準確，有關人員選擇將1/2轉向橋劃分成2666個節點、分屬1524個單元，同時該網絡共包括16層，各層均有計算模式對應[3]。

對結構較為復雜的轉向橋而言，在劃分網格的前提下，對各節點編號和對應坐標進行快速確定的難度極大。考慮到節點標號、對應坐標均屬于原始數據，通常與幾何數據、工程數據間存在緊密聯系，有關人員指出，前處理的主要任務是準確生成集合數據。本軟件以前處理模塊為載體，新增了參數化設計的相關功能，同時強化了模塊和PRO/E、ANSYS等軟件的適配性，確保在利用上述軟件建立模型的過程中，該模塊能夠充分發揮出采集、存儲相關數據的功能。此外，還開發了負責修正數據的程序，旨在降低對構件進行前處理的難度，使前處理所取得效果更加理想。為保證所建立模型符合項目要求，有關人員決定參照前處理方法對力學模型進行建立，通過對比現有方案的方式，確定可最大限度滿足項目要求的模型。

2.3 開發后處理模塊

在有限元計算期間通常會形成海量數據，要想降低對比多個方案的難度，關鍵是要保證計算結果以十分醒目且直觀的形式被呈現出來。后處理的關鍵，便是充分利用現有技術，對應力圖、變形圖、等值線圖或是渲染圖進行繪制，通過直觀表達計算所得數據的方式，為后續檢查工作的開展提供便利。

在對轉向橋剛度、強度進行計算期間，本軟件能夠憑借OPENGL庫和可視計算，高效完成編寫后處理程序的工作，同時保證所編寫程序可提供結果處理、變形顯示以及繪制應力曲線等功能，通過提高處理效率的方式，減少該環節需要花費的時間[4]。

對后處理強度進行分析所遵循理論為第四強度理論，計算公式如下：

在該公式中，σ1代表第一主應力。σ2代表第二主應力。σ3代表第三主應力。[σ]代表允許應力，轉向橋的主要材質為鋼，而鋼的允許應力約為293MPa。

3 軟件應用實例說明

內燃叉車所配備轉向橋多通過鋼板焊接所得，運行期間往往需要承受側向力、縱向力和垂直力，其工況的復雜程度有目共睹。在進行有限元分析時，有關人員決定先簡化模型，假設橋體所用材料為均質、連續材料，同時符合完全彈性體的條件，在此基礎上，對有限元軟件進行使用，所涉及內容如下：

3.1 受力分析

3.1.1 空載靜止。處于空載靜止工況的叉車，其內部轉向橋對應等效應力的最大值在18.8MPa左右，多數應力均位于橋體焊接點周圍，縱向（Z向）位移最大的構建為軸套，相關數值在0.0019mm左右。

3.1.2 空載急剎。空載叉車由高速行駛狀態切換成緊急剎車狀態時，轉向橋對應等效應力的最大值為18MPa，多數應力均分布在鋼板焊接區域，軸套附近出現明顯位移，位移相對值在0.0017mm左右[5]。由此可見，靜態工況下，轉向橋變形、等效應力值均未達到屈服極限，這表示轉向橋強度能夠達到行業標準。

3.1.3 空載轉向。處于空載轉向工況的轉向橋，其等效應力最大值為19MPa，略大于空載靜止工況，鋼板焊接區域所承受應力較多，軸套附近所出現位移情況較其他區域更加明顯，位移距離在0.0057mm左右。

3.2 模態分析

以靜態分析模型為落腳點，借助ANSYS軟件對結構模態進行計算，在此期間，不需要考慮阻尼所產生影響，只需將預應力開關打開，便可完成后續的模態計算等工作。本文所分析轉向橋的參數如下：

表1 轉向橋基本參數

對其固有頻率進行計算所得結果如下：

表2 頻率取值

上圖共包括前十階振型，其中，1階是指轉向橋兩側分別沿Z振動；2階是兩側均沿Z振動；3階是指兩端均沿Y振動；4階是指兩側分別繞Z轉動；5階是指兩側均繞Z轉動；6階是指兩側均繞Z、X轉動且轉速相同；7階是指橋體繞Z轉動；8階同樣是指橋體繞Z轉動，但其振型較7階略大；9階是指橋體繞Y轉動；10階是指橋體繞Y、Z轉動。

研究表明，轉向橋對應1階頻率取值是313Hz，此時，路面激勵頻率處于低階頻率狀態，其空間頻率取值往往集中在0.2～2.0c/m間。對空間頻率進行轉化，可得出“時間頻率處于1～20Hz”的結論，這表示1階頻率并未處于額定頻率范圍內，換言之，行駛狀態下的叉車并不會導致橋體出現共振，加之多數位移均處于軸套附近，這說明叉車對轉向橋在剛度方面所提出要求較為嚴格。

3.3 零件應用

3.3.1 橋體。有關人員利用分析系統對某叉車所配備鑄鋼轉向橋進行了模擬。很長一段時間內，轉向橋均以鋼為主要材質，在本軟件的輔助下，有關人員成功研發出了鑄鋼轉向橋，其性能較鋼轉向橋更為突出。

圖1 橋體模型

3.3.2 轉向銷。轉向銷主要材質為20Cr鋼，將其強度換算成應力，最大值約為278MPa，可達到項目所提出要求。

3.3.3 轉向節。該叉車轉向節材質為45#鋼，對應網格模型如下：

圖2 轉向節網絡模型

將節點強度換算成應力值，計算所得數據均在264MPa左右波動，未超出允許范圍，與使用要求相符。

4 結束語

通過上文的分析可知，在對叉車進行設計期間，有限元軟件的作用主要是評估方案是否可行。基于計算機技術對相關系統或程序進行開發，可促使有關人員快速完成分析零件的工作，針對分析過程中所發現問題，對設計方案進行調整。事實證明，本文所開發有限元軟件在拓展性、實用性等方面均具有突出表現，將其用于零件、叉車設計，一方面可保證設計需要得到滿足，另一方面可使產品質量得到顯著提高。未來有關人員應將工作重心向其傾斜，通過定期升級現有軟件的方式，確保其所具有優勢能夠得到更加充分的發揮。