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叉車是一種20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的起重運(yùn)輸機(jī)械，在我國已得到越來越廣泛的使用，其中轉(zhuǎn)向橋體作為叉車的一個(gè)重要部件，其強(qiáng)度、剛度有限元分析也越來越受到重視。鑄鋼件有著經(jīng)濟(jì)性好，適宜批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，但國內(nèi)尚未開發(fā)叉車鑄鋼轉(zhuǎn)向橋體。隨著叉車產(chǎn)量的增加，開發(fā)一種新型的鑄鋼轉(zhuǎn)向橋意義重大。采用以往的設(shè)計(jì)方法，不能精確地選擇零部件的尺寸和結(jié)構(gòu)，造成有的地方強(qiáng)度不夠，而有的地方強(qiáng)度又嚴(yán)重過剩。為了設(shè)計(jì)得更合理，應(yīng)用CAD軟件PRO/E建模，再通過轉(zhuǎn)換接口，導(dǎo)入著名的有限元軟件ANSYS進(jìn)行分析。這樣設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品能滿足強(qiáng)度和剛度要求。
某型號3.5 t叉車的轉(zhuǎn)向橋體打算選用鑄鋼材料，經(jīng)過重新設(shè)計(jì)用于該型號叉車，其設(shè)計(jì)參數(shù)參照了原16Mn材料的焊接式橋體尺寸，對尺寸進(jìn)行了相應(yīng)修改后，同時(shí)按鑄鋼件形式造型、整體建模，設(shè)計(jì)了許多圓角過渡、拔模斜度等，并使用CAD設(shè)計(jì)軟件PRONE實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)、曲而擬合等，通過ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，設(shè)計(jì)出仿真實(shí)體模型。建立有限元分析模型是有限元分析的關(guān)鍵步驟，模型的準(zhǔn)確與否直接影響最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。力學(xué)模型既要反映部件的主要特征，又要在保證計(jì)算精度的前提下對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕�，以便盡可能簡化求解計(jì)算規(guī)模。因此力學(xué)模型應(yīng)簡化小圓角、倒角和影響不大的小孔，一些工藝結(jié)構(gòu)如凸臺(tái)、凹槽之類也應(yīng)予以省略。
在確定計(jì)算模型后，選擇的鑄鋼材料為ZG45，彈性模量為E=175 GPa，泊松比0.3。原16Mn材料焊接式轉(zhuǎn)向橋的彈性模量為E=210 GPa，泊松比0.3。鑄鋼件選擇ANSYS中四面體SOLID92單元，采用自動(dòng)劃分，共劃分了180308個(gè)節(jié)點(diǎn)和110471個(gè)單元，精度完全符合要求。
考慮到叉車轉(zhuǎn)向橋體是圍繞中心鉸軸擺動(dòng)的，因此約束中心鉸軸的3個(gè)移動(dòng)和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，只留一個(gè)繞y軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。
轉(zhuǎn)向輪內(nèi)不裝制動(dòng)器，因此可忽略車輪受到的切向力，計(jì)算時(shí)只考慮垂直力和因側(cè)滑引起的橫向力來選取計(jì)算載荷口。力學(xué)模型中在最大垂直力工況將載荷沿z方向置于兩側(cè)銷座部位的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，使計(jì)算更符合實(shí)際。
有限元計(jì)算后產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，在多方案的對比分析中，要求計(jì)算結(jié)果直觀、醒目、容易判斷。后處理技術(shù)就是通過一定的方法，繪成等值線圖、彩色渲染圖、應(yīng)力圖、變形圖等，把這些數(shù)據(jù)直觀地表達(dá)出來，以便檢查結(jié)果是否合理。
叉車轉(zhuǎn)向橋體強(qiáng)度和剛度計(jì)算結(jié)果分析中主要根據(jù)材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論。
利用ANSYS求解器，對上述焊接式轉(zhuǎn)向橋體力學(xué)模型進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，經(jīng)過有限元結(jié)果后處理，焊接式16Mn轉(zhuǎn)向橋體最大垂直力工況下的最大正應(yīng)力云圖。側(cè)向力工況經(jīng)過反復(fù)計(jì)算，危險(xiǎn)應(yīng)力不是很大，限于篇幅，在此不做專門討論。
16Mn材料許用應(yīng)力通常取260 MPa。計(jì)算中，最大正應(yīng)力為310 MPa，節(jié)點(diǎn)編號為8 696，第四強(qiáng)度理論相當(dāng)應(yīng)力187 MPa，位置在銷座附近。其次，較大的正應(yīng)力出現(xiàn)在172節(jié)點(diǎn)，第四強(qiáng)度理論相當(dāng)應(yīng)力167 MPa，位置在筋板過渡圓角靠近中心鉸處，8747節(jié)點(diǎn)最大負(fù)應(yīng)力為101 MPa，其第四強(qiáng)度理論相當(dāng)應(yīng)力為147 MPa，都未超過許用應(yīng)力。
剛度計(jì)算得出的y方向位移結(jié)果較理想，最大0.17mm。
經(jīng)過多次反復(fù)修改，增加了筋板的厚度，增大了部分過渡圓角，最終設(shè)計(jì)出鑄鋼轉(zhuǎn)向橋體模型，進(jìn)行有限元分析時(shí)保留了主要特征，將一些小的過渡圓角用直角代替。簡化后使用ANSYS進(jìn)行分析。
最大正應(yīng)力值為297.6 MPa，其第四強(qiáng)度理論相當(dāng)應(yīng)力為189 MPa，節(jié)點(diǎn)號7012，位置在轉(zhuǎn)向銷座附近。另外，第四強(qiáng)度理論相當(dāng)應(yīng)力最大值為201 MPa，節(jié)點(diǎn)號172節(jié)點(diǎn)，位于筋板附近內(nèi)側(cè)，靠近中心鉸。位移最大值0.21 mm。取鑄鋼許用應(yīng)力250 MPa，該鑄鋼轉(zhuǎn)向橋體符合強(qiáng)度與剛度要求。
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