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P113 FEM分析方法在叉车门架重叠度设计变更中的应用

来源:2017年第2期(总第201期) 作者:林德(中国)叉车有限公司 浏览:

       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。

 

       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。

 
 

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。




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