基于Workbench的电动堆高车传动件的疲劳分析

朱 军

(无锡机电高等职业技术学校，江苏 无锡 214028)

基于Workbench的电动堆高车传动件的疲劳分析

朱 军

(无锡机电高等职业技术学校，江苏 无锡 214028)

电动堆高车是从事搬运作业的常用车辆，其传动、连接件的设计将直接影响整个产品的质量和使用寿命。利用有限元软件在产品设计初期就对其进行强度和疲劳分析，可以大大降低产品研制费用，缩短设计周期。使用ANSYS Workbench软件，导入连接杆的三维模型，并对其进行静力学分析、疲劳分析，得出其最大应力位置及疲劳寿命，为后续优化设计提供数据支持。

传动件；有限元；疲劳寿命；Workbench; 电动堆高车

0 引言

堆高车是进行货物装卸、堆高和短距离搬运作业的轮式搬运车辆。在频繁搬运、装卸重物时，它的传动连接件不断承受冲击载荷，极易发生疲劳磨损，引发疲劳断裂，威胁操作人员及周边人员的人身安全。传统的疲劳强度检测方法是进行旋转弯曲疲劳试验，需要加载交变载荷，通过多次循环加载测得其最大应力，试验成本高。采用有限元分析软件ANSYS Workbench来进行疲劳强度分析能缩短产品设计开发时间，降低设计成本。本文以某堆高车的导轮轴及链条连接杆为主要研究对象，使用UG软件进行三维建模，通过UG与ANSYS Workbench的连接接口导入数据模型，利用Workbench对其进行静力学分析及疲劳强度分析。

1 堆高车承重部件三维建模

该堆高车为小型电动堆高车，设计承载500 kg，货叉长420 mm，间距330 mm，为方便搬运散件，在货叉上配置托盘(可拆卸)。导轮座直接与支撑连接板连接、固定，导轮轴与导轮座连接，链条连接杆安装在导轮轴上，如图1、图2所示。

图1 堆高车承重部件中各零件三维模型

2 静力学分析

2.1 定义模型材料属性

实体模型主要采用两种材料：一种是具有较高强度、韧性和耐磨性的45钢；一种是含碳量较低、韧性和塑性较好的Q235A。具体材料属性见表1。

图2 堆高车承重部件装配后的实体模型

材料名称弹性模量GPa泊松比抗拉极限强度MPa密度kg/mm3模型名称45钢2100.316247.85×10-6导轮轴、链条连接杆Q235A2120.2884557.85×10-6货叉、托盘、支撑连接板、导轮座

2.2 网格划分

在DesignModeler模块中使用Attach to Active CAD File命令导入UG模型，实现模型的双向关联性。将6个实体组成一个多体部件，以保证每个实体都能独立划分网格，且两个实体间的接触区域网格是连续的。使用Hex Dominant和Sweep对模型进行网格划分，划分后结果如图3所示，共计57 212个单元，20 5006个节点。

2.3 施加载荷及边界条件

为了使数据计算结果尽可能准确，要求施加的边界条件和载荷与实际工况相接近。在实际工作中托盘放置重物(堆高车设计载荷500 kg)，受到垂直向下的压力；链条连接杆受到向上的拉力；导轮座在立柱中能上下移动，不能左右移动。为了能准确模拟链条向上拉动链条连接杆时的受力情况，将链条连接杆受力面进行分割，添加向上5 000 N的力，如图4所示。托盘添加向下的力5 000 N，导轮座设置为X、Y方向的位移为0，Z方向位移Free，如图5所示。

图3 划分网格后的模型

图4 链条连接杆受力情况 图5 导轮座约束示意图

为简化分析，忽略了零件间螺栓连接时产生的预紧力，定义各零件之间的接触为Bonded，不允许零件间有相对滑动或分离。

2.4 模型应力分析结果

针对上述载荷和约束情况，使用Workbench仿真分析后获得堆高车承重部件的变形云图(见图6)和应力云图(见图7)。

图6 堆高车承重部件变形云图

图7 堆高车承重部件应力云图

从图7可以发现堆高车承重部件的应力最大值为527.52 MPa，发生在链条连接杆的内孔上部区域(如图8所示)，该位置为链条与链条连接杆的连接处，由此可以判断出部件中受力最大、最易发生断裂的零件为链条连接杆。本产品设计时链条连接杆采用45钢，其抗拉极限强度为624 MPa，大于应力云图中的最大压力，因此该设计是安全的。

图8 链条连接杆处应力云图

3 疲劳分析

疲劳就是材料在循环应力和应变作用下, 在一处或几处产生永久性累积损伤, 经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程[1]。疲劳寿命是指材料在疲劳破坏前所经历的应力循环次数。疲劳寿命的估算分为裂纹形成阶段寿命估算和裂纹扩展阶段寿命估算两部分。常用的疲劳寿命计算方法包括名义应力寿命法、局部应变寿命法和裂纹扩展计算法。本设计采用名义应力有限寿命设计法，它以材料或零部件的S-N曲线为基础，利用名义应力或局部应力和寿命之间的关系, 针对材料内线性弹性应力进行分析[2-3]。

材料S-N曲线一般都是用旋转弯曲疲劳试验得出的, 其常用表达式为：

lgN=a+blgσ.

(1)

其中：N为疲劳寿命，次；σ为名义应力，MPa；a为材料常数；b为斜率参数。

45钢和Q235A的a、b值和转折点寿命N0见表2。

表2 两种材料的S-N曲线a、b值和转折点寿命N0

部件最大应力发生在链条连接杆处，因此以链条连接杆和导轮轴作为疲劳分析的主要对象。导轮轴的几何形状、尺寸与试件差异不大，直接以表中的数据绘制其S-N曲线，如图9所示。

图9 导轮轴、链条连接杆S-N曲线

由于链条连接杆与试件外观、形状有所差异，因此要对链条连接杆材料的S-N曲线进行修正。经研究表明：缺口、尺寸和表面加工等影响因素，在疲劳寿命N≤103以前无影响，在N≥N0以后使其疲劳强度降低KσD倍，在103～N0之间在双对数坐标上呈线性变化。KσD由下式计算：

(2)

其中：Kσ为有效应力集中系数；β为表面系数；ε为尺寸系数[4]。经修正后，链条连接杆的S-N曲线如图9所示。施加不对称循环载荷，载荷最大值为设计承重的80%，分析结果如图10所示。

图10 部件疲劳寿命云图和安全系数云图

从图10中可以看出，在不对称循环载荷作用下，疲劳寿命的最小值出现在链条连接杆与链条连接处，最小疲劳寿命为7.93万次，最小安全系数为0.75。说明链条连接杆与链条结合部存在应力集中现象, 在长期的变化载荷作用下会产生疲劳破坏。

4 结论

本文使用Workbench对堆高车的传动件进行了静力学分析，获得应力云图，并在此基础上进行了疲劳分析，模拟其在不对称循环载荷下的工况，得出部件的最小疲劳寿命。文中分析得出，在进行机构设计过程中，除了要考虑其结构强度之外，还要考虑零件在交变载荷下的使用寿命, 并进行疲劳分析。在产品开发初期就将零部件使用寿命纳入设计范围，利用有限元软件进行基于疲劳寿命的优化设计,可有效预测产品的使用寿命，减少产品试制费用，缩短研发和测试周期。

[1] 张志文.锻造工艺学[M].北京:机械工业出版社,1983.

[2] 余伟炜,高炳军.ANSYS在机械与化工装备中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[3] 黄民锋,江迎春.基于有限元法的汽车构件疲劳寿命分析[J].机械研究与应用,2008(2):57-60.

[4] 赵少汴.有限寿命疲劳设计法的基础曲线[J].机械设计,1999(11):5-7.

Fatigue Strength Analysis of Driving Medium of Electric Stacker by Workbench

ZHU Jun

(Wuxi Machinery and Electron Higher Professional and Technical School, Wuxi 214028, China)

Electric stacker is often used in handling operation, the design of its driving and connecting parts will directly affect the quality and service life of the whole product. Using FEA software to analyze the strength and durability of the product in the early stages of design can greatly cut down the cost of product development and shorten the design cycle. In the paper, the model of the connecting rod was set up and imported into ANSYS Workbench software, the static and fatigue analysis were carried out, and the maximum stress position and fatigue life were obtained, to provid the data support for subsequent optimization design.

driving medium; FEM; fatigue life; Workbench; electric stacker

1672- 6413(2015)06- 0062- 02

2015- 09- 14；

2015- 09- 24

朱军(1978-)，男，江苏无锡人，讲师，工程硕士，主要从事结构设计及有限元研究。

TP391.7

A