基于有限元的叉车货叉分析与设计

■ 南京环达装饰工程有限公司 （江苏南京 210000） 张 波

叉车是一种用于货物装卸、堆垛以及短途运输的物料搬运工具。由于其可根据实际工作需要安装相应的属具，机动性强，随着物流业的发展，叉车得到越来越广泛的应用。叉车按其结构部位和功能可分为货叉（包括货叉架）、门架、车架、护顶架、电气系统和液压系统等部件。其中，货叉作为叉车的重要承载部件，直接承受货物的载荷，其结构性能直接影响叉车的使用安全。货叉工作时受到交变应力作用，极易产生疲劳破坏。国家标准对货叉的强度和刚度有着严格的要求。

有限元法是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，传统的叉车设计大多依靠经验以及模型试验的方法来验证叉车的强度和刚度，随着有限元技术的发展和应用，越来越多的工程技术人员采用有限元的方法来提高设计效率，缩短产品研制的周期，降低成本。

本文采用UG软件建立了某型7t叉车货叉的三维实体模型，通过有限元法验算其强度和刚度，为货叉的设计提供了参考依据。

1. 货叉三维模型

货叉是叉车主要的受力部件，包括货叉和支撑结构（货叉架）。叉车货叉按其安装方式可分为沟槽式货叉和环眼式货叉。沟槽式货叉通过两个楔形槽与货叉架固定，环眼式货叉通过叉柄上的圆孔与货叉架上的固定轴相连，使用过程中货叉可绕固定轴转动。小吨位叉车多采用沟槽式货叉，而大吨位叉车以环眼式货叉为主。7t叉车货叉采用环眼式货叉，其三维模型如图1所示。

货叉工作时要承受较大的载荷，因此对其强度性能要求较高，一般由合金钢45Cr锻造而成。货叉架采用Q235钢板厚钢板焊接而成。货叉材料力学性能见表1。

图1 某型7t叉车货叉三维模型

表1 货叉材料力学性能

2. 有限元分析模型

（1）网格划分 采用四面体网格对货叉进行网格划分，对容易产生应力集中的部位，如焊缝位置，进行适当加密，以提高有限元分析结果的准确性。而对于受力较小的部位，采用较大的单元尺寸，以提高计算的速度。采用BEAM单元模拟固定轴。划分后的货叉有限元模型如图2所示。

图2 货叉有限元模型

（2）约束与载荷 根据货叉的实际受力情况，在货叉架的滚轮位置施加前后和左右方向的移动约束；在货叉架链条位置施加上下方向的约束；释放货叉与连接轴的转动自由度；在货叉与货叉架接触位置添加接触副。

本文采用静力学分析的方法计算货叉的强度，但是实际的货叉受力过程是一个动态过程，因而需要在施加载荷的时候添加一个适当的安全系数。这个安全系数一般取1.4,则7t叉车进行静力学分析时添加的载荷为：F＝7000×1.4×10＝98 000（N）。

3. 结果分析与讨论

利用Nastran求解器对上述货叉有限元模型进行求解，得到7t货叉在1.4倍安全系数载荷下的位移云图如图3所示。其最大位移发生在货叉尖部，最大位移为62.31mm。

货叉架应力分布云图如图4所示。由图4可知，货叉架最大应力位于货叉安装轴上方横梁与立柱焊缝位置，最大应力值为213MPa，小于货叉架材料Q235的屈服强度235MPa，因而货叉架的强度满足使用要求。

货叉的应力分布云图如图5所示。货叉的最大应力位于货叉根部转弯处，为拉应力，大小为664.57MPa，小于货叉材料45Cr的屈服强度835MPa，因此强度满足要求。

图3 货叉位移云图

图4 货叉架应力分布云图

图5 货叉应力分布云图

4. 结语

本文采用UG NX软件建立了某型7t货叉的三维模型，并对其进行了有限元结构静力学分析。结果表明，所设计的货叉强度和刚度满足设计使用要求。为叉车货叉的设计提供了参考依据。