基于ANSYS的新型侧面叉车车架结构优化

仇立新

天津港远航矿石码头有限公司



基于ANSYS的新型侧面叉车车架结构优化

仇立新

天津港远航矿石码头有限公司

利用ANSYS有限元分析软件对某一新型四轮独立360°全回转侧面叉车车架结构进行了整体有限元计算，并对车架的强度、刚度和稳定性进行了全面的分析。根据车架分析的结果对车架结构进行了优化，使局部应力过大的情况得到了有效改善。

全回转； 侧面叉车； 车架； ANSYS

1 引言

本次研究的新型四轮独立360°全回转侧面叉车，结构新颖、设计约束复杂，尚无可借鉴的对象模型，具有一定的局限性和盲目性，可能导致新型叉车的结构缺乏合理性。故本文以该新型侧面叉车车架为研究对象，利用ANSYS有限元软件对车架的强度、刚度和稳定性进行了全面的分析，并以对车架结构进行合理优化为最终研究目的，试图为该机型车架的改进和设计提供一定的参考。

2 车架的基本结构形式

该车架结构主要由长度、宽度和厚度不一的金属薄壁板焊接而成，车架结构使用的材料是Q345钢。实体建模过程中对事物进行一定的合理简化，其实体模型及基本构成见图1。

3 车架的有限元分析

3.1 有限元模型的建立

在solidworks中建立好模型之后，将之保存为*.STEP的格式，之后通过专门的接口导入ANSYS软件中，通过检查发现几何数据基本没有丢失，模型也没有失真，因此可以进行下一步工作[1]。由于车架结构是由板焊接而成，在进行网格划分前需要进行大量的布尔粘合操作(Operate)。选用实体单元SOLID45来对新型侧面叉车车架进行网格划分(mesh)，划分采用自动(free)生成。车架有限元模型见图2。模型的节点数为149 680，单元数为524 826。

图1 新型侧面叉车车架的实体模型及主要部件名称

3.2 分析工况

侧面叉车车架危险工况主要分为2类：第一类是门架伸至最外端，货叉插取货物至最高点，货物满载；第二类是叉车行走时，门架缩回，满载货物位于载货平台上，且1个轮子悬空[2]。实际操作中主要是发生第一类情况，本文也将对第一类情况进行分析。

图2 车架有限元模型

第一类工况下，对于新型侧面叉车的车架而言，车架结构受到的约束主要来自4个车轮，在施加约束时，可将约束添加在车架与车轮相连接的面上，为全约束[3]。

对于新型侧面叉车车架而言，车架所受到的载荷主要是门架系统作用在导轨上的力，以及驾驶室、蓄电池、电机对车架的力，其中，需要支撑货物与门架系统的载荷F1与F2由导轨来承受，F1=39 428 N，F2=18 424 N；车架受到驾驶室的作用力F3=2 450 N；车架受到蓄电池的作用力F4=7 840N；车架受到电机的作用力F5=2 450 N。驾驶室位于车架的右侧，电机位于车架左侧，与驾驶室成对称布置，蓄电池位于车架结构的中部。力的施加位置见图3。

图3 载荷分布图

4 有限元结果分析

门架伸至最外端，货叉插取货物至最高点，货物满载的工况下，车架的应力云图和位移云图分别如图4和图5所示。

由应力云图可知，该车架最大应力出现在车架左侧悬架支座与车轮连接处，最大应力值为253 MPa。该车架的材料为Q345，安全系数取1.5，则其许用应力为[σ]=230 MPa。由位移云图可知，该车架最大垂直位移出现在门架左侧轨道下方，最大位移值为3.73 mm，这数值是满足设计要求的。且在设计时，在车架叉货的一侧增加了2个支撑轮，来确保叉车的侧向稳定性。因此，该车架结构是满足设计要求的。

图4 车架应力云图

图5 车架位移云图

5 车架结构优化分析

针对车架局部应力过大的情况和对整体结构进行轻量化设计的目的，对叉车车架主要板件的厚度优化结果见表1。

表1 设计变量优化结果

优化后车架的体积较优化前下降了15.8%；优化后的车架应力云图如图6所示，最大应力仍出现在左侧前轮独立悬架支座与车轮连接处，最大应力值为228 MPa，小于其许用应力；优化后的位移云图如图7所示。

图6 优化后应力云图

图7 优化后位移云图

该车架最大垂直位移仍出现在门架左侧轨道下方，最大位移值为4.16 mm，其值较优化前略有增加，但是由于在车架叉货的一侧增加了2个支撑轮，因此也是满足设计条件，优化的结果是有效的。

6 结语

本文利用三维建模软件和有限元分析软件对新型侧面叉车车架进行了整体的强度、刚度和稳定性分析，认为原车架结构基本是合理的，但仍有需要进一步改进的地方。车架经过优化改进后，局部应力过大的情况得到了有效改善，车架结构整体轻量化程度显著，更加安全可靠，可大大节约原材料成本，对新型侧面叉车车架的改进和设计有一定的参考意义。

[1] 陶元芳,卫良保.叉车构造与设计[M].北京:机械工业出版社,2009.

[2] 吴迪清,卢炎麟,陈宛兵,傅飞均.基于有限元的叉车车架模态分析及优化[J].轻工机械,2010(4)：47-50.

[3] 王志强,卞学良,罗明军,等.侧面叉车车架结构与有限元分析[J].机械设计与制造,2007(9):13-15.

仇立新： 300000，天津市南港路南疆11#、12#泊位

The Structure Optimization Based on ANSYS for a New Kind of Side-loading Forklift

Qiu Lixin

Yuanhang Ore Terminal Co. Ltd., Tianjin Port

The finite element calculation is established with ANSYS software for the mast structure of a new kind of four-wheel independent and 360 degrees full-rotating side-loading forkliftwith. And the frame strength, stiffness and stability is analyzed entirely. The mast structure is optimized with the result of mast analysis and the situation of too much local stress is effectively improved.

full-rotating; side-loadingforklift; mast; ANSYS

2016-07-13

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.06.007