叉车门架仿真分析与拓扑优化.pdf

研 究 设 计 装备机械 国家自然科学基金资助项目（编号：）；江苏省研究生科研与实践创新计划项目（编号：）收稿时间：第一作者简介：徐进壮（），男，硕士研究生，主要研究方向为车辆悬架仿真分析通信作者简介：汪伟（），男，博士，副教授，主要研究方向为智能控制、汽车动力学等叉车门架仿真分析与拓扑优化 徐进壮 汪伟 王汝佳江苏理工学院 汽车与交通工程学院江苏常州 摘要：叉车企业在设计叉车门架时，倾向于使用过量材料来保证叉车门架的强度，这样既增加相关配套设备和负担，也违背轻量化设计原则。以额定载荷为 的叉车为研究对象，对叉车门架的主要组成部件进行有限元强度分析，并对举升不同重力的货物时允许司机所产生的叉举操作误差进行计算。应用 软件对叉车工作过程进行运动仿真分析，计算叉车门架产生的偏转角度和货叉受力等。在仿真分析的基础上，对叉车门架进行拓扑优化，结果表明拓扑优化后外门架的质量减小 。：，关键词：叉车；门架；仿真；优化 ：；中图分类号：文献标志码：文章编号：（）分析与优化背景叉车在搬运中起关键作用，广泛运用在港口、机场和物流中心等场所。叉车门架是叉车中的核心结构，门架的承载能力必须达到所规定的载荷，否则将会引起重大安全事故。一些生产厂家为了保证门架的额定承载能力，在门架的尺寸参数设计上留出过大的余量，造成了材料的浪费，同时也影响相关配套设备的设计工作，不符合轻量化的设计理念。因此，研 究 设 计装备机械 在保证叉车门架安全的前提下，如何准确地设计门架的尺寸就显得格外重要。笔者以额定载荷为 的叉车为例，对叉车的货叉、货叉架、内门架、外门架进行强度分析。为了提高准确性，选取额定载荷内的五个载质量等级进行分析，计算出叉车举升不同吨位货物时允许司机产生的叉举操作偏差。在 软件中对叉车进行运动学分析，计算货叉在叉举货物时的受力、门架倾斜角度、货叉在 方向产生的位移变化。对外门架进行拓扑优化分析，以减轻外门架的质量。叉车装配如图 所示。图 叉车装配 静力学分析叉车在使用过程中，容易局部出现裂纹或产生一些疲劳破坏，因此，在设计过程中应该优化和改进现有的门架结构，从根本上避免此类情况发生。同时要对门架结构进行全面的静力学分析，尤其是对于容易产生应力集中的部位，要合理划分网格，正确设置载荷和接触，从而进一步提高叉车门架设计的准确性。模型搭建及材料选择在 软件中建立叉车门架三维模型，主要包括货叉、货叉架、内门架、外门架，如图 图所示。在搭建模型的过程中，舍去一些对数据分析影响不大的螺纹孔和倒角，并通过 格式将三维模型导入 软件，进行有限元分析计算。货叉及货叉架的材料为 ，弹性模量为 ，泊松比为 ，密度为 ，屈服强度为 。内门架和外门架的材料为 ，弹性模量为 ，泊松比为 ，密度为 ，屈服强度为 。网格划分考虑到模型的复杂程度，网格划分最小单元主图 货叉及货叉架图 内门架图 外门架要是四面体和六面体，对圆角处、货叉上表面及其它容易出现应力奇异的地方进行局部网格细化，减少应力奇异的出现。部分学者在有限元分析的过程中不重视网格划分，或者仅仅以网格尺寸来评判网格划分是否标准，这种做法具有一定的局限性。对此，笔者在判断网格划分是否符合力学计算标准时，引入雅可比比率、长宽比、翘曲度、单元质量因子作为指标，来评判网格划分的准确度。门架中零件网格划分参数见表 。表 门架中零件网格划分参数类型货叉和货叉架内门架外门架雅可比比率 长宽比 翘曲度 单元质量因子 研 究 设 计 装备机械 由表 可以看到，雅可比比率和长宽比的最大值出现在外门架上，分别为 和 ，翘曲度的最大值为 ，单元质量因子的最大值为 。根据相关文献及实际仿真经验，当雅可比比率大于 ，长宽比及翘曲度小于 ，单元质量因子大于 时，是能够满足网格划分要求的。因此，本次网格划分符合分析要求，可以进行下一步仿真分析试验。约束设置在货叉和货叉架贴合接触的地方设置粗摩擦接触，在内门架和外门架中普通连接的地方采用固定连接，在货叉表面施加载荷模拟重物，在内门架和外门架接触的地方施加载荷，模拟链条和液压杆提供的拉力和举升力。门架上有许多焊缝，一些铰接孔与肋板之间都是依靠焊接来实现连接的，所以对一些关键交界处的焊缝进行强度分析十分有必要。内门架侧壁与底板上焊点排布如图 所示，内门架侧壁与底板上焊点处变形趋势如图 所示。图 内门架侧壁与底板上焊点排布图 内门架侧壁与底板上焊点处变形趋势 载荷施加叉车的额定举升载荷为 ，为了保证叉车在极限条件下依然能够正常工作，对叉车的额定载荷设置安全因数 。为了更加了解和掌握叉车门架的受力变化过程，分别施加 、共五种载荷。载荷施加位置如图 图 所示。叉车门框分析结果门架中零件等效应力及变形见表 ，叉车举升 货物时门架中零件受到的等效应力情况如图图 货叉及货叉架载荷施加位置图 内门架载荷施加位置图 外门架载荷施加位置 图 所示。货叉架在举升货物时，货物的重力全部作用在货叉表面，货叉以悬臂梁的形式撑起货物，货叉的根部为应力集中的区域，最大等效应力为 ，最大变形量为 。货叉及货叉架材料的屈服强度为 ，货叉不发生断裂的最大变形量为 。内门架和外门架的最大等效应力为 ，最大变形量为 ，内门架和外门架材料的屈服强度为 ，内门架和外门架不发生断裂的最大变形量为 。因此，货叉、货叉架、内门架、外门架刚度均满足实际使用要求。同时内门架和外门架中一些交界处的焊缝抗压强度经检验也满足设计要求。货物偏移量分析从表中可以发现，当载荷达到额定载荷 时，货叉及货架最大等效应力达到 ，依然满 研 究 设 计装备机械 表 门架中零件等效应力及变形载荷等级 货叉及货叉架等效应力 货叉及货叉架总体变形 内门架等效应力 内门架总体变形 外门架等效应力 内门架总体变形 图 货叉及货叉架等效应力情况图 内门架等效应力情况图 外门架等效应力情况足强度要求，并且有一定的冗余。同时又对单个货叉所能够承受的极限载荷进行测量，经过分析计算，得到单个货叉最大可以承载 的货物。考虑到叉车司机在举升货物过程中很难完全将两个货叉架放到货板的中心，特别对新手叉车司机而言操作比较困难，货物在举升过程中一旦出现质心偏载，将会引起货叉根部受力不均而出现裂纹，甚至导致货叉从根部直接断裂，造成难以估量的损失。因此有必要根据举升货物的载荷，计算出在不同载荷条件下允许叉车司机产生的偏载误差范围，以保证叉车司机能在举升不同货物时有足够的心理准备。以长 、宽 、高 的集装箱为例，结合货叉所能够承受的极限载荷情况，计算出允许司机产生的偏差范围，见表 。在计算过程中发现，举升 及以下的货物预留给司机的偏移量较大，对叉车司机而言操作难度较小，可以忽略不计。表 允许叉车司机产生的偏差范围载荷 偏移量 运动学仿真叉车门架举升货物是一个复杂的工作过程，货叉、货叉架、内门架、外门架在工作过程中，受力和位移是在不断变化的，这些物理量在实车测试过程中测量的难度比较大，而且在精确度上还存在较大的偏差，在参数设置上也无法及时更改。对此，笔者在 动力学分析软件中通过模拟叉车的工作过程来测量相关物理量，从而验证叉车门架工作的稳定性和可靠性，缩短试验周期，减少试验成本。载荷及驱动添加叉车的外门架通过固定板来实现支撑，通过液压杆控制外门架的倾斜。固定板与车身连接的一端用固定副连接，固定板与外门架连接的一端用转动副连接。液压杆与车身通过转动副连接，液压杆与外门架通过共线副实现约束。叉车在工作过程中依靠 函数来驱动，函数表达式为：研 究 设 计 装备机械 （，）（）()（）式中：为时间自变量；为自变量初始值；为自变量终止值；为函数初始值；为函数终止值。叉车车轮的驱动函数表达式为：（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）为车轮角速度。这一函数表示叉车在 内前进，在 内减速停车，在 内再次前进，在 内减速停车，此时叉车的货叉已经处在货物的底部，叉车然后在 内反向加速，在 内减速停车。倾斜液压杆的驱动函数表达式为：（，）（，）（，）叉车通过倾斜的伸缩来控制门架的倾斜角度。在 内，叉车处于前进状态，货叉要向后倾斜回收，防止货叉误触。在 内，叉车已经靠近货物，需要货叉前倾，帮助叉车司机调整方向，并且也能够更方便地举升货物。起升液压杆的函数表达式为：（，）（，）（，）这一函数表示叉车在 内升起液压杆，向上升起 ，此时叉架将随内门架升起 。在 内，将内门架降低 。在 内，将内门架上升 。货叉液压杆的函数表达式为：（，）（，）（，）这一函数表示在 内货叉下降 ，用于调整货叉与货物的相对位置。在 内，货叉上升 ，此时货叉已经将货物举升起来，准备退回。在 内，叉车已经退到指定位置，并将货叉上升 。仿真过程叉车在动态仿真的过程中主要经历三个阶段。第一个阶段是叉车的门架向后倾斜，叉车前进靠近货物。第二个阶段是叉车调整货叉的倾斜角度，将货叉放入货物的底部，并且将货物举升。第三个阶段是叉车向后退回，并将货物举升至指定高度。叉车动态仿真过程如图 图 所示。图 叉车启动图 叉车前进图 叉车开始举升货物图 叉车举升货物 仿真分析在 软件中，通过 模块可以测得受力和角度变化等信息。本次动态仿真举升的货物载荷为 ，分别测量货叉工作过程中受力变化、门框上所有铰接孔位移变化，以及门架工作过程中倾斜角度变化等。单个货叉受力变化如图 所示。货叉在第 时与货物接触，受到压力，货叉所受到的压力平均 研 究 设 计装备机械 为 左右。由于货叉在不断起降过程中会产生失重和超重现象，因此货叉的受力也是不断变化的，在第 时货叉受力约为 。在货叉急速下落过程中，也会出现完全失重的情况。总体而言，货叉在工作过程中受力相对稳定，与实际情况相符。图 货叉受力变化叉车在举升货物的过程中，货叉与货物直接接触，容易出现刚度不足而导致货叉变形的情况，因此要在动力学软件中分析货叉在工作时的位移变形情况。货叉举升货物时在 方向上产生的位移变化如图 所示。货叉前端由于直接接触货物，因此位移量稍大，最大位移量为 ，仍在弹性变化范围之内，不会突破材料的屈服强度。总体而言，货叉在 方向上的位移变化较小，符合货叉的实际变形情况。图 货叉 方向位移变化叉车门架倾斜角变化如图 所示。叉车门架在 内后倾，为防止货叉与地面之间出现碰撞，最大后倾角度为 。在 时叉车已经靠近货物，此时叉车门架向前倾斜，调整角度准备举升货物，最大前倾角度为 。在 时货叉已经举升起货物，叉车门架保持后倾姿态，后倾角度约为 ，以防止货物在运输过程中质心不稳而滑落。拓扑优化通过静力学分析和动力学仿真，发现叉车的外图 叉车门架倾斜角变化门架容易产生相对较大的等效应力，同时外门架的质量较大，不符合轻量化的设计原则，因此笔者针对外门架进行拓扑优化，在满足外门架整体强度和刚度的同时，通过拓扑优化来优化外门架的局部结构，减轻叉车门架的自重。叉车外门架的拓扑优化数学模型可以表示为：（），式中：（）为外门架的质量；和 分别为外门架优化后和优化前的体积；为缩减体积百分比。对外门架进行拓扑优化设计时，设置拓扑优化最大迭代次数为 ，最小归一化密度为 ，收敛精度为 。优化之后，确定外门架的质量保留比为 ，同时外门架的强度和刚度几乎保持原有的状态。经过拓扑优化分析，拓扑优化的目标曲线和拓扑优化的质量约束曲线分别如图 、图 所示。从图 、图 中可以发现，质量响应收敛一直向质量响应准则靠近，组合目标收敛趋势与组合目标收敛准则相差较小，满足拓扑优化要求。图 拓扑优化目标曲线在 软件中得到拓扑优化后的模型，发现外门架顶端的加强肋板存在较大的设计余量。软件拓扑优化后外门架如图 所示。根据拓扑优化分析结果，对外门架顶端的加强肋板进行结构优化。实研 究 设 计 装备机械 图 拓扑优化质量约束曲线际拓扑优化后外门架如图 所示，质量减小 。对拓扑优化后的外门架重新进行静力学分析，外门架的强度和刚度满足设计要求。图 软件拓扑优化后外门架图 实际拓扑优化后外门架 结束语笔者对叉车门架进行仿真分析和拓扑优化，应用有限元分析软件计算出货叉在不同载荷下产生的应力和变形，同时计算出货叉能够叉举的极限载荷为 ，得到叉车司机在举升 货物时允许的最大叉举误差为 。通过对叉车进行运动学仿真，叉车在举升 货物时货叉平均受力为 ，货叉在 方向上的位移变化合理，叉车门架的最大倾斜角为前倾 、后倾 ，使货物的质心保持在相对平稳的位置，有效防止货物滑落。在保持叉车门架原有强度和刚度的基础上，对外门架进行拓扑优化。经过拓扑优化，外门架的整体质量减小 ，拓扑优化后的叉车门架经校核满足使用要求。参考文献 童水光，苗嘉智，童哲铭，等 内燃叉车车架静动特性有限元分析及优化 浙江大学学报（工学版），（）：安远 自动电动叉车设计与路径规划研究 西安：西安理工大学，霍喜伟，高彩茹，宋玉卿，等 高韧性 叉车门架型钢的工艺研究 热加工工艺，（）：，巴一庆 吨叉车电控工作装置设计与控制策略研究 秦皇岛：燕山大学，李漾，蔡文伟，李伟光 叉车 结构设计与仿真分析 机电工程技术，（）：盖彦青，庞瑞峰，董丹鹏，等 关键参数对叉车稳定性研究 机械强度，（）：王润泽，姜建建，黄志来，等 基于精确有限元模型的叉车外门架轻量化设计 青岛理工大学学报，（）：孟红博 某重型汽车驱动桥壳的有限元分析及优化设计 济南：山东建筑大学，童水光，何顺，童哲铭，等 基于组合近似模型的轻量化设计方法 中国机械工程，（）：刘显贵，张福斌，张乐，等 某型内燃叉车动力总成悬置系统振动解耦优化 机械设计，（）：，（），：王威 电动叉车驱动系统关键技术研究 西安：长安大学，郑尚敏 基于 的前移式叉车门架小车优化设计 机械工程师，（）：邹坤，侯亮，卜祥建，等 基于工况风险评估的叉车门架多工况拓扑优化 中国机械工程，（）：王祖皓，尹辉俊，张芸华，等 某叉车中门架的优化改进 机械设计与研究，（）：（编辑：日月）