重载叉车关键部件疲劳耐久性分析

作     者：丁凯乐 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄运保;魏登明

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：重载叉车 有限元方法 动力学仿真 疲劳耐久性 结构优化 

摘      要：重载叉车是一类非常重要的港口起重设备。它利用伸缩臂实现大范围叉装货物的功能。随着对伸缩臂可覆盖范围和叉装货物载重等需求的提升,对伸缩臂的强度和疲劳寿命也有更高的要求。车架是重载叉车的主要承重部件,其强度和疲劳耐久性也是设计中必须考虑的因素。伸缩臂是双向压弯构件,其载荷形式主要是臂节之间的接触载荷。车架与其他部件的连接都是铰接形式。依据伸缩臂和车架的不同载荷种类,应用不同的方法建立动力学模型以及计算应力应变。本文以三一海洋重工的某型伸缩臂叉车为例展开研究,其内容包括:(1)了解重载叉车的组成部件,及部件之间的连接形式,主要为固定、旋转、平面接触等形式。分析伸缩臂和车架的材料及属性,包括伸缩臂材料HG70、车架材料Q345,重量、弹性模量等。伸缩臂的作业工况中水平伸缩产生的力矩最大,车架过凸起路面受到的较大的冲击,因此确定伸缩臂和叉车车架的几种工况进行疲劳分析。(2)伸缩臂有限元模型是模拟实际结构的数值模型,对伸缩臂模型的校验包括接触作用力的仿真计算与理论计算对比以及伸缩臂的仿真应力与试验应力对比。对于伸缩臂的一种带载全伸出工况,应用理论力学方法简化伸缩臂的结构,计算出在该工况下部分接触对的作用力。应用Solidworks和ANSYS建立伸缩臂的有限元模型,分析接触求解的关键要素接触刚度、接触算法等。对伸缩臂上述工况进行计算,获得伸缩臂的接触对作用力、总体变形、应力时间历程等结果。(3)车架的连接铰点和承受载荷的作用点都是固定不变的,在整车过凸起的工况中可以应用模态综合法将车架替换为柔性体并且计算其应力应变。基于ADAMS建立整车多刚体动力学模型,应用模态综合法将车架柔性化,对整车单边过坎工况进行了分析,得到车架应力时间历程等结果。(4)在伸缩臂和叉车车架上实施应力应变测试,试验应力与仿真计算的应力对比分析误差在20%以内,通过试验验证了伸缩臂和叉车车架模型的准确性较高可以用于疲劳耐久性计算。基于二者的动力学模型将不同工况仿真得到的应力时间历程结果导入n Code软件中,结合伸缩臂、车架材料特性计算疲劳耐久性。(5)应用拓扑优化方法对一节臂的重量做了优化,优化后在相同静力模型中最大应力与优化前相差不超过1%,体积减少了10.8%。伸缩臂和叉车车架通过有限元方法计算出危险应力区域,采用不同的方式获取应力时间历程,并基于Miner损伤累积理论计算二者的疲劳寿命。本文的研究工作对这类新型工程产品的设计与研发提供了重要的参考价值。