方文勇/文

FEM分析方法在叉车门架重叠度设计变更中的应用

方文勇/文

本文提出在叉车门架重叠度设计变更中使用FEM分析方法，并建立有限元分析模型，通过应力分析计算，对比更改设计前后应力计算结果，确认设计方案合理性并确定是否符合设计要求。FEM分析可以大幅减少设计变更的工作量，并有效降低相关重复调整的试验费用，是一种目前门架重叠度设计变更的科学方法。

FEM分析、叉车门架、重叠度、设计变更

FEM是Finite Element Method的缩写，译为“有限单元法”，在实际应用中往往被称为有限元分析。FEM是一种高效能、常用的计算方法，它将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，以求解连续体力学问题。

图1：降低门架型钢之间的重叠度 3

叉车门架重叠度更改，需确认更改后的结构在实际运用中所能够承受的载荷。传统的方法是设计者凭借经验完成初步设计变更，工厂根据设计方案制造出样品，接着对样品进行载荷、耐久等试验测试，再根据试验情况，判断是否需要对设计变化后的结构进行再次优化调整，以便达到设计要求。

单纯凭借设计者的经验进行分析判断，往往无法一次性满足设计要求、完成设计变更，而是需要反复地更改和试验，进而消耗了大量的人力和物力。FEM分析方法在叉车门架结构设计变更过程中的运用，可以分析对比门架结构更改的前后应力变化，理论验证结构更改的合理性，能够大大减少重复更改设计的工作量。

一、门架重叠度更改的背景

叉车生产企业量产的叉车一般都有统一高度的门架，但某些工况需求比较特殊的客户，为满足物料实际搬运需求，会要求叉车既有较高的最大提升高度h3，同时具有较低的门架缩回高度h1，这就要求对标准的门架做出适当的调整，以满足客户要求。从结构更改的角度来看，最佳的解决方案是降低门架型钢与型钢之间的重叠度γ3，如图1所示。

重叠度更改设计后，门架的某些重要部位在实际使用中的应力也会随之产生变化。笔者通过使用FEM分析更改前后应力变化的大小，判断是否需要增强对应部门或零部件的强度，以及是否需要通过其他限制使用条件，来保证门架的安全使用和寿命。

以下将通过具体案例来验证，重叠度更改设计如何利用FEM分析方法，模拟计算设计结果是否符合设计要求。

二、几何模型的建立和参数要求

FEM分析的第一步是建立几何模型并设置相关参数，重叠度更改分析模型涉及整个门架，本案例的几何模型参数设置如下：

1.Object（物体）：（1）更改重叠度前的门架；（2）更改重叠度后的门架，如图2。

2.Load （载荷）：3t

3.Weight of inner mast（内门架重量）: 500 kg

4.Load center（承载中心距）：500 mm

5.Load Offset（承载偏移）：100 mm 在 +y轴方向

6.Material（材料）：Q345D

7.Yield strength（屈服强度）：345 MPa

8.Ultimate Tensile（极限抗拉强度）：470 MPa

三、FEM模型和约束

几何模型设置完成以后，需要对FEM模型进行分析，并设定相关约束条件。

1.FEM模型：为了准确地用单元网络模拟零件的几何结构，前处理运用Femap进行网格划分，采用10节点四边体网格，网格尺寸6mm,远离热点位置，适当加大网格尺寸，模型如图3。

2.约束条件：将门架与驱动桥连接处的中心做为固定点，约束其X、Y、Z轴方向的偏移，只允许绕轴旋转。在载荷中心处500mm加载受力大小和方向，考虑内门架的重量和动态系数，大小：(3000+500)x1.4x10=49000N，力的方向垂直向下。

图2：更改重叠度后的门架

图3：FEM模型

图4：更改前热点的应力情况

图5：更改后热点的应力情况

图6：更改前滚轮轴的受力值和应力

图7：更改后滚轮轴的受力值和应力

四、FEM分析

采用对比分析方法，即在重叠度更改前后的载荷和加力点位置保持一致的条件下，对比更改前后的FEM分析结果。针对该重叠度更改，FEM分析主要包括两个方面：

1.对比更改前后，新旧门架热点位置(hot spot)的应力。

（1）更改前、后热点应力情况，如图4、图5。

更改后4个应力集中部位应力均出现下降，最大降低5.9%，最小降低3.1%。

2.根据门架上滚轮轴受力的变化，分析滚轮轴应力的变化。

由于更改后门架最大提升高度增大，更改后的弯曲变形增大，导致滚轮轴上的受力增大。更改前、后滚轮轴的受力值和应力，如图6、图7。

五、分析结果与结论

1.重叠度更改，并没有增大热点位置的应力，反而有略微减小的趋势，因此，更改后能够满足设计要求，无须再更改。

2.门架提升到最大高度4525mm后，滚轮轴的受力增大，应力随之增大15%。如果客户一直按照更改前的载荷承载到最大高度，势必影响滚轮轴的使用寿命，因此如果客户需要使用更改后的门架，提升高度到4325mm与4525mm之间，相应的承载能力需要减小15%，以确保门架的强度和使用寿命。

3.采用FEM分析，能有效地分析更改前后的应力变化，通过限制承载的重量来确保门架的使用寿命，与传统的设计方法相比，节省了改进时间、费用以及相关试验工作量，是一种行之有效的分析方法。

作者单位为林德(中国)叉车有限公司