基于Workbench的某型叉车车架开裂分析及优化改进

陆 维，林 博，李树青，覃柱仁

（广西柳工机械股份有限公司，广西 柳州 545005）

0 引言

叉车车架是叉车最主要、最关键的结构件，前端连接着门架、货叉架，中部安装发动机，后端安装配重，不仅承受着叉、装货物时产生的工作载荷，同时也承受着附件的重力以及在行驶过程中的各种冲击载荷[1]。作为承载的关键部件，在设计的时候要充分考虑车架的可靠性。国内、外制造叉车的企业在解决车架可靠性问题的时候通常是采用有限元的方法，对叉车的典型工况、极端工况进行有限元分析计算并优化设计，然后通过场地试验或者台架试验来验证计算结果，从而解决车架的可靠性问题。本文针对叉车车架开裂的问题，通过有限元静强度仿真分析和应力测试试验，优化、改进车架局部结构，在工程应用上快速而有效地解决了车架开裂问题。

1 叉车车架开裂问题

某型叉车在进行现场作业测试时，发现车架出现开裂的现象，裂纹的具体位置在车架腹板和倾斜油缸支座焊缝连接处，如图1所示，裂纹出现在焊趾附近，应该是从腹板上边缘开始出现，逐步向下扩展。该叉车现场测试的时间较短，初步判定是由于在某些极限工况下，该处出现应力集中现象，应力过大，短时间内产生裂纹，造成开裂失效[2]。为了找到车架开裂的原因和改进优化的方案，对车架进行了有限元静强度仿真分析和应力测试试验。

图1 车架开裂

2 车架有限元静强度仿真分析

2.1 叉车车架有限元模型建立

把叉车车架三维模型导入到ANSYS Workbench中，为了简化模型，提高网格划分的质量和计算效率，首先把一些不影响车架强度的搭子、小部件删除掉，然后去除小倒角、小孔之类的工艺特征[3]。然后采用实体单元自动划分网格，软件会根据部件的外形自动采用合适的单元类型，建立的车架有限元模型如图2所示，模型共有734839个节点、287687单元。

图2 车架有限元模型

2.2 施加边界条件

车架主要分析的工况是车架倾斜油缸支耳承受最大载荷的工况，主要关注的是腹板开裂部位的应力，并且把改进前后腹板开裂部位的应力作对比，以此确定改进方案。

2.2.1 施加的载荷

通过油缸压力可求出支耳受到的拉力。在车架的每个支耳上施加16500N的力，力的方向是沿着倾斜油缸的方向，如图3所示。

图3 施加的载荷

2.2.2 施加的约束

在前桥和后桥的安装面施加固定约束，如图4所示。

图4 施加的约束

2.3 有限元分析结果

前车架应力云图，如图5所示。通过云图可看出车架腹板开裂处有应力集中现象，最大应力是264MPa，腹板的材料是Q235，超过了屈服极限，所以很容易发生开裂，与测试反馈开裂现象基本吻合。接下来可在这个分析模型的基础上进行改进和优化，降低开裂部位的应力。

图5 应力云图

3 车架优化和改进

通过前面的仿真分析结果可初步判断车架开裂是由于局部应力集中造成的，所以车架优化和改进方向是局部结构加强，降低该部位的应力，减小开裂的风险。

3.1 改进方案一

向下增加支耳与腹板焊缝处的腹板宽度，如图6所示，提高腹板前后方向的抗弯能力。

图6 改进方案一

对改进后的模型进行有限元分析，按照之前的边界条件进行加载，经过计算，局部应力降到了229MPa，如图7所示。

图7 方案一应力云图

3.2 改进方案二

向上增加支耳与腹板焊缝处的腹板高度，如图8所示，提高腹板前后方向的抗弯能力。

图8 改进方案二

对改进后的模型进行有限元分析，按照之前的边界条件进行加载，经过计算，局部应力降到了136MPa，如图9所示。

图9 方案二应力云图

腹板的材料是Q235，其安全系数一般取1.5，那么腹板的许用应力是157 MPa。经过分析和对比，方案二的局部应力降到了136 MPa，由此可见方案二是可行的，可作为产品实际改进方案。

4 实验测试

为了验证有限元分析的准确性以及改进后的效果，对改进前后的车架进行了应力应变测试实验，实验采用的设备是eDAQ数据采集仪。

4.1 测点位置

在支耳与腹板连接焊缝的顶部，也就是开裂的初始位置贴应变花，具体位置如图10、11所示。

图10 改进前贴片位置

图11 改进后贴片位置

4.2 实验数据与有限元分析数据对比分析

按照最大载荷工况进行实验测试、采集数据，并与计算结果进行对比，结果见表1。

表1 实验与计算结果对比

通过上表对比可知，以实验应力为准，改进前计算应力的误差是3.5%，改进后是6.3%。考虑到计算模型经过简化处理，以及有限元分析的边界条件设置与实验条件存在一定的差异，但误差较小，在10%以内，计算结果和实验结果基本吻合。实验验证了有限元分析的准确性，也证明改进有效。

5 结束语

本文运用Workbench对叉车车架进行静强度分析，发现车架开裂部位存在应力集中是造成车架开裂的主要原因。对车架进行局部改进和优化，消除了应力集中的问题，并形成了改进方案。通过实验验证了有限元分析的准确性，也验证了改进方案的可行性，有效地解决了车架开裂问题，延长了车架使用寿命，为解决此类问题提供了一种快速而有效的方法。