基于ANSYS的叉车外门架结构有限元分析

齐善朋 岳君

摘 要：文章建立了某型号2.5T叉车门架的三维模型，分析外门架的工作状态以及受力情况，并导入Ansys-workbench有限元分析软件，经过分析得出最不利工况下门架的应力、位移等详细数据，为叉车外门架的设计提供了科学有力的依据。

关键词：叉车；外门架；有限元分析

叉車是现在人们常用的搬运设备之一，是成件托盘货物过程中进行装卸、堆垛和短距离运输以及重物搬运作业的常用搬运车辆。它广泛应用于港口、车站、机场、货场、工厂车间、仓库、流通中心以及配送中心等，并可进入船舱、车厢和集装箱内进行托盘货物的装卸、搬运作业，是托盘运输、集装箱运输中必不可少的设备。叉车的门架属于工作装置的一部分，主要包括外门架、内门架、货叉和叉架等。文章利用有限元分析软件Ansys-workbench对2.5T叉车的外门架进行分析，为叉车外门架结构的合理设计提供依据，同时达到缩短设计周期，提高供货质量的目的。

1 门架系统的结构分析

叉车的门架系统由门架、链条、叉架、货叉、门架滚轮、液压缸等部件组成。叉车门架为伸缩式的框架结构，通过外门架尾部铰接在车轴或车架上，依靠倾斜液压缸实现前后倾斜，以便于装卸货物以及带货运行。内外门架是垂直起升系统的立柱，主要承受弯曲载荷；货叉架又被称为滑架，用于悬挂货叉或者其他的叉车属具；货叉即是直接承载货物的部分，一般装有两个，其间距可以在货叉架上调整。起升液压缸带动链条传动使货叉架沿内门架升降，从而带动货叉的完成升降运动，达到升降载荷的目的。内门架滑轮贴附在外门架内，以外门架内槽为导轨完成上下运动，把货物举升到较高的位置，完成货物的堆放。由此看来外门架是叉车的主要受力部件，外门架的设计对叉车的性能产生很大的影响。

2 叉车外门架有限元模型的建立

2.1 外门架的三维造型

一般来说，建立有限元模型的原则是既能体现被分析结构的力学性能，又要尽量地使模型简化。文章采用三维建模软件SolidWorks进行实体建模，如图1所示。然后将模型直接无缝导入Ansys-workbench软件中，对外门架的强度和变形进行有限元分析，为下一步结构的改进提供可靠的计算依据。

图1 外门架的SolidWorks三维模型

2.2 有限元网格划分

根据实际模型，文章使用三维实体单元来划分模型网格，同时为了提高计算精度，实体单元网格划分采用六面体网格进行统一划分，划分网格后该模型共包含10668个单元和40880个节点。如图2所示。

图2 叉车外门架有限元模型图

2.3 载荷计算及施加边界条件

在叉车起重系统中外门架的受力较复杂，合理的载荷处理以及约束是有效进行有限元分析的基本条件。货叉、货叉架和货物的质量以弯矩的形式由外门架的槽钢承受，倾斜油缸安装在外门架油缸支座上，起升油缸安装在外门架下横梁的油缸支座上，下横梁油缸支座后端与前桥通过连接轴相连。文章在做约束处理时，把外门架与前桥铰接处作为一个固定铰支座，在ANSYS中边界条件处理时放开绕固定轴转动的自由度，门架与倾斜液压缸铰接处可作为一个活动铰支座进行约束，在ANSYS中可以约束门架与倾斜液压缸铰接处液压缸运动方向的位移。门架自身重力可以自重形式施加。已知叉车的额定起重量为2.5吨，载荷中心距为500mm，货叉上的重物载荷可采用集中力的形式施加。内门架总成的质量为150kg、单个货叉质量为56kg、链条及其他重量为35kg。根据叉车具体作业工况，经过分析认为，计算叉车外门架强度时，门架起升到位，同时前倾到位，此时工况为最危险工况，因此选取此工况进行加载计算。

3 有限元结果分析

在最危险工况即起升到位和前倾到位的复合情况下，外门架的应力分布云图如图3所示，最大等效应力为123MPa，门架的材料为Q345B，取安全系数1.5，求得许用应力为230MPa，计算出的最大等效应力小于材料的需要应力。外门架的变形为2.28mm，小于规定值，图4所示。因此得出叉车的外门架是安全的。

图3 叉车外门架的应力分布

图4 叉车外门架的变形

4 结束语

文章通过对叉车外门架的有限元分析，可以判断出叉车在起升货物时最不利工况下的应力分布以及变形等情况，为设计叉车外门架的寿命和供货质量提供了保证，同时为外门架的进一步优化提供了参考，具有一定的工程意义。

参考文献

[1]陆植.叉车设计[M].北京：机械工业出版社，1998.

[2]陶元芳，卫良保.叉车构造与设计[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3]沈莉芳.基于ANSYS的叉车门架结构计算机辅助分析[J].计算机工程应用技术，2007，3（4）：383-385.

作者简介：齐善朋（1981-），男，河北人，讲师，硕士，主要从事物流输送机械方面的研究。