【摘要】本文對某3t平衡重式內燃叉車外門架進行有限元靜力學分析，基于第三強度理論對外門架進行靜力學計算，選取滿足設計要求的Q550高強度結構鋼材料進行建模，并對輕量化設計后的模型進行強度校核。結果表明，采用高強度鋼材料的外門架設計模型滿足工作性能需求，比原叉車外門架減重約12%。

　　【關鍵詞】化工設備工程師論文,輕量化設計,有限元分析,叉車外門架,高強度鋼

　　The use of high-strength structural steel engineering truck outside the door frame were lightweight design

　　Li Yong-mei

　　(Hebei Zhicheng Construction Co.， Ltd Handan Hebei 056000)

　　【Abstract】In this paper， a 3t internal combustion counterbalanced forklift mast outside static finite element analysis， statics calculation is based on the third strength theory external door frame， select meet the Q550 high-strength structural steel design requirements modeling， and light after quantitative model designed strength check. The results showed that the use of high-strength steel outer door frame design model to meet the performance needs， the outer door frame than the original truck weight loss of about 12%.

　　【Key words】Lightweight design;Finite element analysis;Truck outside door frame;High strength steel

　　1. 前言

　　(1)叉車是流動性裝卸搬運機械，廣泛應用于物料的裝卸和搬運作業。叉車門架是主要的作業及承重機構。對叉車外門架開展輕量化設計，不但可以減少門架結構的自身質量，而且叉車配重也會隨之減小。同時，研究叉車外門架的輕量化設計方法對于減輕門架系統及整機質量，提高門架系統強度具有實際意義。

　　(2)本文基于ANSYS WORKBENCH有限元分析軟件對叉車外門架進行強度分析，并進一步采用新材料對外門架進行輕量化設計和強度校核，確保輕量化設計模型滿足工作要求。

　　2. 外門架有限元分析

　　叉車裝卸物料時，載荷通過貨叉、叉架和內門架滾輪傳遞到外門架，因此外門架在作業過程中存在應力集中。本文通過對叉車外門架進行正載載重25 KN和30 KN工況的有限元分析，確定外門架應力集中位置，為進一步輕量化設計提供依據。

　　2.1 叉車外門架有限元模型的建立。

　　采用Solidworks軟件對某3t內燃平衡重式叉車外門架建立實體模型，如圖1所示，主要包括立柱、上橫梁、中橫梁、下橫梁、掛鏈座和液壓缸固定板等部件。為了保證外門架有限元分析過程中計算的準確性，在建立模型的過程中進行了簡化處理，去掉了不必要的零件及特征，忽略對整體力學性能影響較小的幾何細節，獲得簡化后外門架結構。主要尺寸如下：外門架高1880 mm、寬670mm，外門架滾輪高度1820mm，貨叉無外伸時載荷中心距貨叉前面板550mm，貨叉外伸時載荷中心距貨叉前面板1070mm，傾斜液壓缸高度940mm(外圍架三維模型見圖1)。

　　2.2 叉車外門架有限元分析。

　　將簡化后的外門架三維模型導人ANSYSWORKBENCH中，進行網格劃分、添加約束和載荷，最后進行分析。

　　2.2.1 劃分網格。

　　選用單元類型為20個節點的186單元，采用掃掠為主的網格劃分方法，對外門架及附屬部件實體幾何模型進行網格劃分，獲得了以六面體網格為主的較為理想的網格模型，如圖2所示。該模型單元總數為37036個，節點總數為193578個(外圍架網格劃分圖見圖2)。

　　2.2.3 有限元計算。

　　分析兩種正載工況下(25 KN和30 KN)外門架的應力情況，如圖4、圖5所示。結果表明，叉車外門架應力集中于立柱腹板和翼緣位置，其中最大應力值和最大應變值如表1所示。

　　對外門架進行輕量化設計，保證輕量化設計模型的鏈條連接處的翼緣與腹板連接部位滿足強度要求，則輕量化設計符合要求。因此針對立柱翼緣與腹板連接部位的應力集中處進行輕量化設計計算，并以與原模型相同的工況對其進行有限元分析。

　　3. 叉車外門架輕量化建模

　　(1)叉車夕外門架輕量化建模通過對工程機械用鋼查詢、統計和應用的綜合考慮，選取高強度結構鋼Q460和Q550對叉車外門架輕量化建模。通過計算得到選用不同強度鋼材料時的腹板和翼緣的厚度，如表2所示。由表2可知，采用高強度鋼Q550時，叉車外門架質量較原來減少33 Kg，約12%。

　　(2)在保證外門架與其他連接部件的安裝位置和定位尺寸大小不變的前提下，根據計算厚度采用Solidworks軟件建立外門架三維模型，如圖8所示。

　　4. 輕量化后叉車外門架有限元分析

　　將輕量化后的外門架模型導人ANSYSWORKBENCH中，在與原模型相同的分析工況下對輕量化的外門架模型進行有限元

　　分析。首先，對輕量化模型做必要簡化，去除不影響受力的倒角、小孔等特征，接著對輕量化模型進行網格劃分，該方式與上文原模型的網格劃分方式相同，在與原模型相同的部位添加約束及大小、方向相同的載荷，最后對輕量化后的外門架進行載重30 KN工況下的有限元分析，分析結果如圖9所示。最大復合應力位于立柱腹板的滾輪安裝處的下端，大小為327.41MPa，最大變形6.6355mm。

　　由分析結果可知：

　　(1)輕量化后外門架應力集中位置的最大復合應力值為。327.41MPa，小于材料的許用應力366.67MPa，因此滿足外門架工作需求，同時外門架仍有輕量化的空間，可對外門架進行結構優化設計，進一步減輕質量。

　　(2)輕量化后外門架的最大變形在材料屬性允許范圍內，并未對外門架造成破壞，滿足該有限元分析工況的需求。

　　(3)正載30KN時，輕量化后外門架的應力均未超出高強度鋼材料的屈服強度和許用應力，因此采用550MPa的高強度鋼替代原模型材料進行輕量化設計是可行的。

　　5. 結論

　　本文采用屈服強度為550MPa的高強度鋼對3T內燃式叉車外門架進行輕量化設計，建立了輕量化外門架三維模型并進行了有限元分析。結果表明，采用高強度鋼對叉車外門架進行輕量化設計后外門架滿足強度要求，降重可達12%;同時經成本測算，輕量化后叉車在使用中節約的能耗也遠大于新材料增加的成本。因此，采用高強度鋼替代原模型材料進行輕量化設計具有可行性，為工程機械輕量化設計提供了一種新思路，有助于工程機械實現節能減排。