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摘要：由于叉车不停歇地工作，叉车门架升降与前后倾动作极为频繁，其结构设计的合理与否关系到叉车部件运行过程中的应力分布、位移变化等状况，直接影响叉车门架的工作性能、工作效率和作业的稳定性，进而决定叉车的整体寿命。因此，利用有限元分析对叉车门架各主要构件进行分析，将应力场分布、位移变形、模态分析结果直观的以图形等动态方式显示出来。为叉车门架结构的合理设计提供依据，以达到降低生产成本、缩短研制周期、提高质量等目的。
关键词：叉车；门架；有限元
门架是叉车搬运物体的主要部件，各零部件力学性能的好坏直接关系到叉车能否正常运行，传统门架系统的设计，总是先确定门架结构的理论尺寸，再参考现有的同类产品和经验估定各构件的截面尺寸，然后对它们的强度和刚度进行校核计算，不合格时再加以修改，这种设计方法效率低且增加了生产成本．采用有限元法对叉车门架进行强度和刚度的分析，可以避免人工分析的各种不足，为叉车结构的进一步优化提供更为准确简便的方法。
一、慨述
叉车是一种以货叉为基准取物装置，并将运载货物提升或下降的特殊车辆。叉车采用轮式底盘，一般用于物料搬运等用途，所以将其归类为起重运输机械，另外一方面它又是一类边缘产品，因此有时也将其归类为工程机械。叉车作为一种广泛的物料搬运工具，它在全球化的物料流通领域起着不可或缺的重要作用。叉车的各项结构零部件的传统设计方法，一般是根据功能和结构的要求，多采用以经典力学和半理论半经验设计法、类比法等传统设计方法，进行循环式试验设计，来满足产品的设计要求，其设计开发存在的成本高、周期长反复多和精度差等缺点。随着全球化产品商贸的快速发展，叉车的全球需求近几年日趋旺盛，对其功能及品质的要求也日益严格，传统的设计方法已经不能够适应叉车系统、机构、材料等多项因素快速发展的要求。可以说要提高今后的产品竞争核心力，就必须提高产品质量，降低成本，缩短研发周期。
二、叉车门架的构造特点
叉车由以下部分构成：装卸工作装置、行走底盘、动力装置及车身等组成。门架部分就是最主要的装卸工作装置，安置在叉车的最前方，前悬于支承车轮的前方。取物工具为朝前的一对货叉，货叉头偏上，通过起升机构使货叉升降，通过倾拉油缸使门架前倾或者后仰，依靠这两种运动，加上叉车本身的运动，货叉能方便地完成对货物的托取、升降、堆放、码垛等工序。工作装置采用伸缩式门架及省时起升滑轮组，使得叉车在较小的外形高度下获得较大的起升高度，提高叉车通过性，扩大使用范围。平衡重式叉车的工作装置包括取物工具、起升机构、门架、门架倾斜机构以及液压传动系统。货叉或其他取物工具安装在滑架上，滑架中的滚轮沿着内门架内导轨滚动，起升油缸顶起滑轮，链条牵引滑架，使滑架升降，从而实现升降动作。内门架沿着外门架的导轨通过滚轮上下滚动。外门架下部铰接在车架上或前桥上，外门架的另一支点通过倾斜油缸再与车架铰接。实现门架的前倾和后仰，钱清便于插起或者卸下货物，门架后倾保证货物在货叉上的稳定。叉车是一种通用的起重运输、装卸堆垛车辆，叉车的门架是叉车的工作装置，是主要的承重机构。叉车门架机构的功用是：叉车进行装卸搬运作业时，直接承受全部货物重量，并完成货物的叉取、搬运、升降、拆码垛等作业。
内门架 外门架
三、叉车门架结构的有限元分析
1、软件介绍。ANSYS 软件是世界上最著名的计算机辅助工程分析软件，该软件以灵活、开放的解决方案为工程设计提供了有效的协同仿真环境，可大量的降低研发费用、缩短研发时间、提高产品质量。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，并可与大多数CAD 软件实现数据共享和交换，它是现代产品设计中高级的 CAD/CAE 软件之一。
2、几何模型的建立。利用PRO/E 对内、外门架进行三维实体模型创建，将PRO/E 中的三维实体模型传递到ANSYS 后的三维实体模型，如图所示。
3、单元、材料的设定。选择六面体单元属性，内、外门架材料都为16Mn，其材料特性参数：0.3；密度（DENS）为7.85，10-6kg/mm3。
4、网格划分。根据内、外门架的具体几何特征、计算精度的要求，采用自由网格划分的方法，通过定义单元边长为 15mm 的网格精度进行网格划分，同时对关键部位进行网格加密处理。经划分网格后，内门架共生成单元 42685个，节点14020个。外门架共生成单元74512个，节点21439 个。
5、施加约束及载荷。有限元分析的主要目的是在于得到系统在特定激励源和边界条件下的响应。在整个有限元分析中，如何正确施加约束和载荷比较关键。施加约束：当门架提升到最大高度时，内门架简化为简支梁结构，滚轮轴定义为全自由度约束。同时在翼缘处受到外门架滚轮的约束，定义内门架翼缘与外门架滚轮接触的区域为Z 方向的约束。在腹板的外侧也受到外门架横向滚轮的约束，定义该接触的区域为X 方向的约束。外门架与车体铰接的面定义为全自由度约束，与倾斜油缸活塞杆铰接的面定义为Y 和Z 方向的约束。施加载荷：内门架上受到两个载荷，即叉架的上下滚轮对内门架翼缘内侧的作用力。对于内门架本文采用施加节点力的方法对内门架翼缘内侧进行加载。因为内门架在划分网格后，叉架滚轮与内门架翼缘内侧接触的区域节点，由此即可得每个节点上的作用力。内门架立柱翼缘内侧各节点受力：
外门架上也受到两个载荷，即外门架滚轮轴的受力和外门架翼缘内侧的受力。对于外门架滚轮轴的受力。本文采用施加面压力的方法对其施加载荷。
6、结果分析，选用通用后处理器 POST1，经过后处理操作，可得到内门架的节点等效应力图，外门架门架的节点等效应力图，内门架翼缘内侧受力点、下横梁与内门架力柱的焊接部位、内门架翼缘外侧与腹板外侧存在应力集中的现象。集中力的翼缘部位最大应力达到102.078MPa，下横梁与内门架力柱的焊接部位最大应力值为 69.683MPa，内门架翼缘外侧与腹板外侧的应力值在55.425 -78.574MPa 之间。内门架的材料为 16Mn，其屈服强度为 345Mpa，故该内门架的安全系数为3.35，符合2.5-3.5 的设计要求。经应力分析可知，在实际结构的改进设计中，可通过增加内门架翼缘厚度或提高材料力学性能来提高内门架的疲劳寿命。
外门架翼缘受内门架滚轮挤压部位、外门架翼缘外侧与腹板外侧的连接处存在应力集中的现象。外门架翼缘因内门架滚轮压力作用而引起的应力为125.906MPa。外门架翼缘外侧与腹板外侧的连接处应力值在65.518-99.377MPa 之间，其各结构部位的应力值均远远小于材料的屈服极限，故满足强度要求。经应力分析可知，实际结构改进设计中，可增加翼缘厚度或提高材料力学性能来提高外门架的疲劳强度。
由此可知该外门架的最大变形量在允许的变化范围之内，符合刚度设计要求。在结构改进方案中，同样可通过增加横梁布置高度或增加横梁数目来提高外门架的刚度。
对叉车的内门架、外门架关键受力部件，利用ANSYS 对它们在危险工况下进行了结构静力学分析，得出了它们强度、刚度的分析结果。并根据分析结果提出了结构改进的相关方案，为叉车门架的实际工程设计与改进提供了参考。
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论文作者:林青云1,周小灵2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/17
标签：叉车论文; 内门论文; 外门论文; 应力论文; 结构论文; 腹板论文; 节点论文; 《基层建设》2018年第23期论文;