基于有限元的叉車貨叉分析與設(shè)計(jì)

叉車是一種用于貨物裝卸、堆垛以及短途運(yùn)輸?shù)奈锪习徇\(yùn)工具。由于其可根據(jù)實(shí)際工作需要安裝相應(yīng)的屬具，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，隨著物流業(yè)的發(fā)展，叉車得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。叉車按其結(jié)構(gòu)部位和功能可分為貨叉（包括貨叉架）、門架、車架、護(hù)頂架、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等部件。其中，貨叉作為叉車的重要承載部件，直接承受貨物的載荷，其結(jié)構(gòu)性能直接影響叉車的使用安全。貨叉工作時(shí)受到交變應(yīng)力作用，極易產(chǎn)生疲勞破壞。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)貨叉的強(qiáng)度和剛度有著嚴(yán)格的要求。有限元法是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬，傳統(tǒng)的叉車設(shè)計(jì)大多依靠經(jīng)驗(yàn)以及模型試驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證叉車的強(qiáng)度和剛度，隨著有限元技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，越來(lái)越多的工程技術(shù)人員采用有限元的方法來(lái)提高設(shè)計(jì)效率，減少產(chǎn)品研制的周期和成本。本文采用UG軟件建立了某型7t叉車貨叉的三維實(shí)體模型，通過(guò)有限元法驗(yàn)算其強(qiáng)度和剛度，為貨叉的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。1貨叉三維模型貨叉是叉車主要的受力部件，包括貨叉和支撐結(jié)構(gòu)（貨叉架）。叉車貨叉按其安裝方式可分為溝槽式貨叉和環(huán)眼式貨叉。溝槽式貨叉通過(guò)兩個(gè)楔形槽與貨叉架固定，環(huán)眼式貨叉通過(guò)叉柄上的圓孔與貨叉架上的固定軸相連，使用過(guò)程中貨叉可繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。小噸位叉車多采用溝槽式貨叉，而大噸位叉車以環(huán)眼式貨叉為主。7t叉車貨叉采用環(huán)眼式貨叉，其三維模型如圖1所示。圖1某型7t叉車貨叉三維模型貨叉工作時(shí)要承受較大的載荷，因此對(duì)其強(qiáng)度性能要求較高，一般由合金鋼45Cr鍛造而成。貨叉架采用Q235鋼板厚鋼板焊接而成。貨叉材料力學(xué)性能見表1。表1貨叉材料力學(xué)性能2航空制造車銑復(fù)合加工典型應(yīng)用（1）網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格對(duì)貨叉進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，如焊縫位置，進(jìn)行適當(dāng)加密，以提高有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。而對(duì)于受力較小的部位，采用較大的單元尺寸，以提高計(jì)算的速度。采用BEAM單元模擬固定軸。劃分后的貨叉有限元模型如圖2所示。

圖2貨叉有限元模型（2）約束與載荷根據(jù)貨叉的實(shí)際受力情況，在貨叉架的滾輪位置施加前后和左右方向的移動(dòng)約束；在貨叉架鏈條位置施加上下方向的約束；釋放貨叉與連接軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；在貨叉與貨叉架接觸位置添加接觸副。本文采用靜力學(xué)分析的方法計(jì)算貨叉的強(qiáng)度，但是實(shí)際的貨叉受力過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，因而需要在施加載荷的時(shí)候添加一個(gè)適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)。這個(gè)安全系數(shù)一般取1.4。則7t叉車進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)添加的載荷為：F＝7000×1.4×10＝98000（N）。3結(jié)果分析與討論利用Nastran求解器對(duì)上述貨叉有限元模型進(jìn)行求解，得到7t貨叉在1.4倍安全系數(shù)載荷下的位移云圖如圖3所示。其最大位移發(fā)生在貨叉尖部，最大位移為62.31mm。圖3貨叉位移云圖貨叉架應(yīng)力分布云圖如圖4所示。由圖4可知，貨叉架最大應(yīng)力位于貨叉安裝軸上方橫梁與立柱焊縫位置，最大應(yīng)力值為213MPa，小于貨叉架材料Q235的屈服強(qiáng)度235MPa，因而貨叉架的強(qiáng)度滿足使用要求。圖4貨叉架應(yīng)力分布云圖貨叉的應(yīng)力分布云圖如圖5所示。貨叉的最大應(yīng)力位于貨叉