摘要：本文运用大型通用计算机辅助有限元分析软件ANSYS，对叉车门架整体结构及关键零部件进行了力学分析，计算其结构的强度和刚度，以简化其分析过程，提高分析精度，并为叉车门架系统的结构优化设计提供有力的依据。
关键词：有限元；叉车；门架；ANSYS
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)20-30383-03
The Finite Element Analysis for the Structure of Portal Frame of Fork Lifter Based on ANSYS
SHEN Li-fang
(Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College, Hangzhou 310018, China)
Abstract: This paper uses large universal finite element analysis software ANSYS to do analysis on the overall structure and main parts of Portal Frame of Fork Lifter and to compute the strength and stiffness of structure. The process of analysis is simplified and the precision of analysis is improved. The powerful foundation is supplied in order to optimize the design of construction of Portal Frame of Fork Lifter.
Key words: FEA；Fork Lifter；Portal Frame；ANSYS
1 引言
叉车作为一种装卸工具，从总体上讲，叉车主要由三部分组成：工作装置、运行装置、动力装置。作为主要工作装置的门架系统则是叉车得以搬运物体的主要部件，组成它的各关键零部件力学性能是否满足工程实际的需要，直接关系到叉车能否正常运行。
传统门架系统的设计，总是先确定门架系统结构的理论尺寸，再参考现有相似的同类产品和根据经验估定各构件的截面尺寸，绘出内外门架的结构图后，再对它们的强度和刚度进行校核计算，不合格时再加以修改，并重新校验，直至合格为止。 但由于组成叉车门架系统的各关键零部件在滚轮力、链张力和油缸力等多种力作用下产生的应力应变情况相当复杂。这种设计方法人为因素考虑较多，效率低，当进行受力分析时，需要对设计模型做较多的简化，设计质量不易保证，而且全部分析计算过程需要由手工来完成，容易计算出错，当强度或刚度设计不合理时，也需要从头开始设计、校核，将引起设计分析的反复，从而延长门架设计的周期，增加生产成本。采用有限元法对叉车门架进行强度和刚度分析计算，就可避免人工分析的各种不足之处，求得的结果准确可靠，另外还可对结构的不足之处加以改进，为叉车结构进一步优化提供可靠依据。
本文采用目前世界上颇具影响的大型通用有限元分析软件ANSYS，对叉车门架整体结构及关键零部件进行了力学分析，计算其结构的强度和刚度，以简化其分析过程，提高分析精度。具体以货叉的强度和刚度分析以及门架系统总体结构的刚度分析为例，说明其分析过程。
2 叉车门架系统的结构组成
叉车门架系统作为叉车主要的工作装置，主要用来完成对货物的托取、升降、堆放、码垛等工序，它由货叉、滑架、内外门架、起升机构、门架倾斜机构等几部分组成。图1为某叉车厂生产的平衡重式叉车CAD结构图，该叉车额定起重量为2吨，载荷中心距为500mm，最大起升高度为3m。它采用两节式门架，外侧的一节是不升降的，称为外门架，内侧的一节可以沿着外门架上下伸缩，称为内门架。外门架的下部铰接在车架上，外门架的另一支点通过倾斜油缸再与车架铰接，倾斜油缸的伸缩即实现门架前倾和后倾。货叉安装在滑架上，起升油缸顶起滑轮，带动链条，链条牵引滑架，使滑架升降，从而实现货叉和货物的升降动作。
3 有限元分析基础
有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身有可以有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。而二维或三维连续体离散为有限个单元的集合体，要求单元具有简单而规则的几何形状以便于计算。常用的二维单元有三角或矩形，常用的三维单元有四面体、五面体或平行六面体。同样形状的单元可有不同的单元结点数，如二维三角单元除3结点外还可有6结点、10结点的三角形单元。如图2所示。在运用有限元法求解实际问题时，如何选择合适的单元进行计算，涉及到求解问题的类型、对计算精度的要求以及经济性等多方面的因素。
在用有限元法求解问题时，除了要选择单元类型及建立有限元的计算模型外，最重要的是建立有限元的特性矩阵和求解方程。单元特性矩阵包括插值函数矩阵、应变矩阵、单元刚度矩阵等。实际过程中，方程的求解可通过编写程序由计算机来完成。ANSYS作为一种大型的有限元分析软件，其计算能力特别强大。ANSYS分析过程主要由前处理、求解计算和后处理三个部分组成。前处理主要包括定义单元类型、定义实常数、定义材料属性、建立分析几何模型、对模型进行网格划分、施加约束与载荷等。求解计算主要包括选择求解类型、进行求解选项设定。后处理主要包括：从求解计算结果中读取数据，对计算结果进行各种图形化显示、列表显示等，如绘制变形图、弯矩图、剪力图，列表显示各节点位移、受力情况，制作结构变形动画等。
4 货叉的有限元分析
货叉的有限元分析包括强度和刚度分析两个方面。本文中采用的是钩槽式货叉，如图1(b)所示。货叉的计算工况，可考虑货叉水平放置时在货叉中部承受2吨集中载荷的作用。一般叉车均有两个货叉，由于对称，实际计算时可取其一进行分析。
4.1 前处理参数的选择
货叉几何模型可以由PRO/E软件创建后，通过IGES转换传入ANSYS中。前处理参数中单元类型选择三维实体单元SOLID92，SOLID92具有二次偏移行为，能很好的运用于构建不规则网格（例如从不同CAD/CAM软件生成的模型）。货叉材料一般采用合金钢40Cr，其弹性模量为206MPa，泊松比为0.3，安全系数为1.2～2.5时，许用应力为314~654 MPa，屈服极限为785 MPa，强度极限为981 MPa。网格划分结果见图3，其中包括6119个节点，3372个三维实体单元。
当货叉承受货物时，由于货叉的上支承既不便移动，又不便转动，可简化为固定支座，约束其所有六个自由度，而下支承可简化为活动铰支座，约束其UX、UY、ROTZ三个自由度。在实际承载过程中，由于货物的大小不一，货叉的承载面积也难以确定，在用有限元分析时，可考虑在货叉水平段的中间处添加集中载荷。
4.2 后处理分析
为了看出货叉在承载后各个部分的变形结果，以便为叉车的进一步优化设计提供依据，可以利用ANSYS的后处理功能，绘出其结构变形图，结果见图4，有限元分析结果显示叉尖处的最大变形为8.741mm。最大应力发生在货叉根部的转角处，其等效应力为114MPa，见图4所示。有限元分析结果与理论计算值的比较如表1所示。从图4及表1可见，理论计算与有限元分析最大应力及最大变形作用位置均相同，且计算结果相近，这也证明了有限元分析的正确性，可以为进一步的优化设计提供依据。
5 门架系统结构的有限元分析
门架系统需要有足够的刚度，否则承载后将产生过大的弹性变形，载荷重心将随之有过大的前移，以致影响叉车安全工作。门架系统的刚度计算工况，可用门架垂直货叉升至最大起升高度时，额定起重量所引起的内门架上端点的前移量来代表（为简化分析过程，不考虑门架前倾与后仰，且货叉与滑架的自重与货物的重量相比可以忽略）。计算中将内架及外架的立柱都简化为简支悬臂梁，其上作用着两个滚轮力Fi（内架i取1，2，外架i取3，4），其计算简图如图5所示。
在采用有限元方法对门架系统进行刚度校核时,可将内外门架看作一个整体，直接利用ANSYS的造型功能构建其结构。定义单元类型为梁单元BEAM188，截面形状为“[”形，门架材料采用Q235钢，其弹性模量为206MPa，泊松比为0.26。在外架根部添加全约束，在内架顶端内侧翼缘处作用两个滚轮力F1、F2，最后经ANSYS有限元分析计算可得其结构变形结果见图6所示，从图中可见，内门架上端点的前移量为21.119mm，而理论计算值为19.06mm，两者的误差为10.8%。
6 结论
在进行有限元分析时，合理选择单元类型，是保证有限元分析结果与理论计算值及实验分析结果相吻合的关键，不同的单元类型，在相同的工况下，可能计算结果会相差很大。另外几何约束位置的合理添加，也关系到计算结果是否正确。
采用有限元分析方法对叉车门架系统结构进行分析，可以避免人工分析的各种不足之处，且分析结果更加直观、可靠，容易发现叉车的主要缺陷，以便及时修改，使结构设计更趋合理。同时还可以为叉车叉车门架系统结构进一步的优化设计提供依据。
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注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
