引言

　　全向側面叉車(以下簡稱全向側叉)可以全方位轉向, 門架橫向移動, 側面裝卸貨物, 適用于場地窄長區域作業。全向側面叉車車架是整車的主要承載部件, 其結構影響到整車性能。由于門架安置在車架的中間部分, 在裝卸貨物時, 門架做側向移動,故在車架的載貨平臺中間部分挖去門架工作所需要的空間，由于門架的落地高度有限制，將使得在挖空部位想局部加強是比較困難的，這些因素將嚴重的影響到車架的強度和剛度。因此, 車架的結構設計、強度及剛度計算分析非常重要。

　　本文以某型全向側叉車架為例進行有限元分析，為了提高車架的整體強度和剛度，車架設計采用了框架和側蒙皮承載相結合的側板承載框架式車架結構設計，即車架內部采用框架結構，外圍采用蒙皮側板結構，外蒙皮和框架焊接起來承載重量。為了提高車架的扭轉強度，在車架后部采用了多塊加強板。

　　1 車架有限元模型的建立

　　有限元模型的建立是有限元計算的基礎, 也是能否得到精確計算結果的關鍵, 本文有限元模型程序主要包括以下幾個部分: 導入模型、幾何清理、有限元模型和多種工況約束條件的建立及載荷步的施加。

　　1.1 實體模型的導入及幾何清理：

　　本文所用的全向側叉采用Solidworks進行實體建模，將模型轉換成step文件，并導入HyperMesh中，然后對導入的模型進行幾何清理。半徑為5mm 以下的孔、過渡圓角或倒角以及2mm 以下的搭接邊上的凸臺等可以被清理。

　　HyperMesh軟件中有很強大的幾何清理能力。在模型導入后，抽取中面時部分面有可能破損或者變形，這就需要HyperMesh的幾何清理工具進行幾何清理和幾何修補，以便得到很好的幾何形狀。幾何清理后的整體車架的實體模型如圖1所示。

　　圖1

　　1.2 有限元模型

　　1.2.1 全向側叉車架有限元模型處理整體方法

　　由全向側叉車架整體結構特點，其有限元模型處理方法歸納如下：

　　1、全向側叉車架的外蒙皮以及很多的加強板都是由板結構組成，適用殼單元模擬;

　　2、零件之間的焊接，采用剛性單元(RBE2)連接或共節點方式處理;

　　3、零件之間的螺栓連接，采用2個剛性單元(RBE2)分別連接螺栓孔，利用梁單元(CBEAM)連接這兩個剛性單元;

　　4、懸架機構按照實際情況加入在有限元模型中，因為，如果將約束條件加在與懸架連接的車架上的螺栓孔處，不能反應真實的約束關系，并且約束的位置將發生改變，這對計算結果是有影響的。因此，將懸架機構按實際裝配位置加入，并且拉桿、輪胎固定軸等均采用梁單元(CBEAM)進行模擬;

　　5、槽鋼與槽鋼固定板之間采用(RBE2)剛性單元分別建立，然后通過梁單元(CBEAM)模擬焊接區域;

　　6、作用在車架上的零件的重量(如油箱、防爆箱、蓄電池等)通過在作用位置添加質量來模擬(MASS);

　　7、門架滑道上的受力采用將力加載在所在位置的單元節點上。

　　8、在整車工作時，輪胎存在偏斜受力，輪胎偏斜受力時，對于輪軸而言，采用釋放同一側兩個輪胎的輪軸方向的約束進行模擬，固定另一側輪胎的該方向約束。

　　1.2.2 全向側叉車架有限元模型

　　全向側叉車架有限元模型如圖2，該有限元模型車架的受力標記顯示的是貨物托盤在車架前端的情況，后端情況后面將進行敘述。

　　圖2

　　1.2.3特殊處理的網格劃分及網格質量檢查與調整

　　槽鋼與槽鋼固定板之間的焊接，用RBE2單元和梁單元共同模擬，如圖3所示。

　　圖3

　　焊接梁單元的橫截面采用圓環，與實際情況吻合。懸架的有限元處理如圖4所示。

　　圖4

　　網格具有理想的形狀時，計算結果最好。而實際劃分的網格不可能一次性都達到理想形狀，那么計算結果將會受到較大的影響，所以對網格質量的檢查顯得尤為重要。網格質量檢查包括：單元扭曲度、翹曲度、長寬比、雅可比等諸多項目的檢查。檢查后對網格及相關模擬單元進行調整，主要是對質量不高的網格進行局部網格重新劃分或作其他處理。

　　1.2.4模型材料及強度、剛度評判標準

　　模型材料參數如表1：

　　表1 模型材料參數

　　強度評判標準：

　　強度標準=材料屈服極限/安全系數(1.2—1.5)

　　也可以由疲勞S-N曲線的近似估計(偏于保守)，其軸向拉壓載荷作用下的疲勞極限為：　

　　 取為極限抗拉強度。

　　由于模型不能夠很好的簡化為特定的梁等結構，所以剛度評判采用與實驗數據對比的方法。

　　1.3 創建邊界條件

　　邊界條件是是實際工況在有限元模型上的表現形式。建立邊界條件一般需要兩個環節。一是對實際工況條件進行量化，即將工況條件表示為模型上可以定義的數學形式;二是將量化的工況條件定義為模型的邊界條件。邊界條件是否符合實際，很大程度上決定了計算結果的精度。根據設計要求，現確定的工況如表2所示：

　　表2 工況表

　　2 有限元靜力學分析及結果

　　利用HyperWorks中的OptiStruct求解器對車架的有限元模型進行求解。

　　2.1 分析結果

　　圖5-6分別為工況1條件下的等效應力和垂直方向的位移變形量，圖7-8分別為工況2條件下的等效應力和垂直方向的位移變形量，圖9-10分別為工況3條件下的等效應力和垂直方向的位移變形量。

　　圖5

　　圖6

　　圖7

　　圖8

　　圖9

　　圖10

　　2.2 靜力學分析結果評價

　　分析結果如表3所示。車架的變形趨勢與實際情況完全吻合，變形量的大小通過實驗測量為16mm左右，與計算結果比較吻合。對于等效應力的驗證，必須通過貼應變片進行實驗測量。而對于工況1，等效應力值相對應力評判標準滿足要求，而且根據強度評判標準，安全系數為1.33，滿足使用要求。

　　表3 工況分析結果

　　對于工況2的分析結果，車架的位移變形量很大，主要是貨物在前端，左前端輪胎同時懸空造成的，而且輪胎也不可能懸空這么大的距離，很快就會與地面接觸。這種工況的應力考核應該按照一種極短時間的沖擊來考慮，這時強度考核標準主要按照屈服極限345 MPa來校核。工況3為貨物在后端，所以分析結果好于工況2。

　　經過試驗驗證，理論分析與實際比較吻合，應力、變形情況均滿足使用要求。

　　3 結束語

　　( 1) 通過對全向側面叉車車架結構進行受力分析, 掌握了車架的變形情況和應力情況，為設計提供了參考依據。

　　( 2) 將計算結果與全向側叉車架變形量的實驗數據進行對標，誤差在允許的范圍內。這主要是因為有限元模型采用了簡化的處理方法。

　　( 3) 根據客戶使用的環境和路面情況，出現第二種和第三種工況的可能性很小，因此，認為該車架滿足要求。

　　( 4) 在門架最大外移叉裝作業時, 車架的中間連接處出現最大位移變形量，會使內外門架向外傾斜, 影響叉車的側向穩定性。因此，在車架叉貨的一側增加兩個支撐腿以確保安全。