运用高强度结构钢对工程叉车外门架进行轻量化设计

李永梅

【摘要】本文对某3t平衡重式内燃叉车外门架进行有限元静力学分析，基于第三强度理论对外门架进行静力学计算，选取满足设计要求的Q550高强度结构钢材料进行建模，并对轻量化设计后的模型进行强度校核。结果表明，采用高强度钢材料的外门架设计模型满足工作性能需求，比原叉车外门架减重约12%。

【关键词】轻量化设计；有限元分析；叉车外门架；高强度钢

The use of high-strength structural steel engineering truck outside the door frame were lightweight design

Li Yong-mei

（Hebei Zhicheng Construction Co.， Ltd Handan Hebei 056000）

【Abstract】In this paper， a 3t internal combustion counterbalanced forklift mast outside static finite element analysis， statics calculation is based on the third strength theory external door frame， select meet the Q550 high-strength structural steel design requirements modeling， and light after quantitative model designed strength check. The results showed that the use of high-strength steel outer door frame design model to meet the performance needs， the outer door frame than the original truck weight loss of about 12%.

【Key words】Lightweight design；Finite element analysis；Truck outside door frame；High strength steel

1. 前言

（1）叉车是流动性装卸搬运机械，广泛应用于物料的装卸和搬运作业。叉车门架是主要的作业及承重机构。对叉车外门架开展轻量化设计，不但可以减少门架结构的自身质量，而且叉车配重也会随之减小。同时，研究叉车外门架的轻量化设计方法对于减轻门架系统及整机质量，提高门架系统强度具有实际意义。

（2）本文基于ANSYS WORKBENCH有限元分析软件对叉车外门架进行强度分析，并进一步采用新材料对外门架进行轻量化设计和强度校核，确保轻量化设计模型满足工作要求。

2. 外门架有限元分析

叉车装卸物料时，载荷通过货叉、叉架和内门架滚轮传递到外门架，因此外门架在作业过程中存在应力集中。本文通过对叉车外门架进行正载载重25 KN和30 KN工况的有限元分析，确定外门架应力集中位置，为进一步轻量化设计提供依据。

2.1 叉车外门架有限元模型的建立。

采用Solidworks软件对某3t内燃平衡重式叉车外门架建立实体模型，如图1所示，主要包括立柱、上横梁、中横梁、下横梁、挂链座和液压缸固定板等部件。为了保证外门架有限元分析过程中计算的准确性，在建立模型的过程中进行了简化处理，去掉了不必要的零件及特征，忽略对整体力学性能影响较小的几何细节，获得简化后外门架结构。主要尺寸如下：外门架高1880 mm、宽670mm，外门架滚轮高度1820mm，货叉无外伸时载荷中心距货叉前面板550mm，货叉外伸时载荷中心距货叉前面板1070mm，倾斜液压缸高度940mm（外围架三维模型见图1）。

2.2 叉车外门架有限元分析。

将简化后的外门架三维模型导人ANSYSWORKBENCH中，进行网格划分、添加约束和载荷，最后进行分析。

2.2.1 划分网格。

选用单元类型为20个节点的186单元，采用扫掠为主的网格划分方法，对外门架及附属部件实体几何模型进行网格划分，获得了以六面体网格为主的较为理想的网格模型，如图2所示。该模型单元总数为37036个，节点总数为193578个（外围架网格划分图见图2）。

2.2.3 有限元计算。

分析两种正载工况下（25 KN和30 KN）外门架的应力情况，如图4、图5所示。结果表明，叉车外门架应力集中于立柱腹板和翼缘位置，其中最大应力值和最大应变值如表1所示。

对外门架进行轻量化设计，保证轻量化设计模型的链条连接处的翼缘与腹板连接部位满足强度要求，则轻量化设计符合要求。因此针对立柱翼缘与腹板连接部位的应力集中处进行轻量化设计计算，并以与原模型相同的工况对其进行有限元分析。

3. 叉车外门架轻量化建模

（1）叉车夕外门架轻量化建模通过对工程机械用钢查询、统计和应用的综合考虑，选取高强度结构钢Q460和Q550对叉车外门架轻量化建模。通过计算得到选用不同强度钢材料时的腹板和翼缘的厚度，如表2所示。由表2可知，采用高强度钢Q550时，叉车外门架质量较原来减少33 Kg，约12%。

（2）在保证外门架与其他连接部件的安装位置和定位尺寸大小不变的前提下，根据计算厚度采用Solidworks软件建立外门架三维模型，如图8所示。

4. 轻量化后叉车外门架有限元分析

将轻量化后的外门架模型导人ANSYSWORKBENCH中，在与原模型相同的分析工况下对轻量化的外门架模型进行有限元

分析。首先，对轻量化模型做必要简化，去除不影响受力的倒角、小孔等特征，接着对轻量化模型进行网格划分，该方式与上文原模型的网格划分方式相同，在与原模型相同的部位添加约束及大小、方向相同的载荷，最后对轻量化后的外门架进行载重30 KN工况下的有限元分析，分析结果如图9所示。最大复合应力位于立柱腹板的滚轮安装处的下端，大小为327.41MPa，最大变形6.6355mm。

由分析结果可知：

（1）轻量化后外门架应力集中位置的最大复合应力值为。327.41MPa，小于材料的许用应力366.67MPa，因此满足外门架工作需求，同时外门架仍有轻量化的空间，可对外门架进行结构优化设计，进一步减轻质量。

（2）轻量化后外门架的最大变形在材料属性允许范围内，并未对外门架造成破坏，满足该有限元分析工况的需求。

（3）正载30KN时，轻量化后外门架的应力均未超出高强度钢材料的屈服强度和许用应力，因此采用550MPa的高强度钢替代原模型材料进行轻量化设计是可行的。

5. 结论

本文采用屈服强度为550MPa的高强度钢对3T内燃式叉车外门架进行轻量化设计，建立了轻量化外门架三维模型并进行了有限元分析。结果表明，采用高强度钢对叉车外门架进行轻量化设计后外门架满足强度要求，降重可达12%；同时经成本测算，轻量化后叉车在使用中节约的能耗也远大于新材料增加的成本。因此，采用高强度钢替代原模型材料进行轻量化设计具有可行性，为工程机械轻量化设计提供了一种新思路，有助于工程机械实现节能减排。endprint