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机械工程师 I MECHANICALENGINEER 基于VDI循环下叉车货叉架疲劳优化及试验验证 孟令利 (厦门理工学院机械与汽车工程学院，福建厦门361024) 摘 要 ：针对某型351叉车货叉架疲劳断裂问题，在建立货叉架有限元模型基础上，运用拓扑优化法对货叉架进行结构优 化,优化后的货叉架关键部位最大应力降低了3 3 © % 。再以静态分析结果为基础，以VDI德国工程师协会輝环实测的载荷 谱为依据，基于M k 疲劳理论，对优化前后的货叉架有限元模型进行疲劳仿真分析，优化后的货叉架疲劳寿命是优化前的 3 龙倍。疲劳试验结果满足企业要求，该优化方法对货叉架结构优化设计具有一定的参考价值。 关键词:叉车货叉架;循环工况;疲劳;优化 中图分类号： U 294.272;TP 391.7 文献标志码 :A 文章编号：1002-2333(2017)04-0030-03 〇 引 言 货叉架作为叉车的承载部件，工作时承受交变载荷 作用，极易产生疲劳断裂，叉车货叉架的安全可靠已成为 设计师面临的关键问题。目前疲劳研究主要集中在汽车 结构件上[1_5]，而对叉车部件的疲劳研究却相对较少;文献 [6]中利用有限元法分析比较了货叉根部两种不同内外径 组合的应力情况；文 献 [7]利用ANSYS Workbench 中的 fatigue模块对某型货叉进行了疲劳寿命分析;文献[8]利 用ANSYS Workbench有限兀分析软件对货叉进行了静力 学分析，得到2 t叉车货叉在满载工况下的应力和变形，以 上文献疲劳计算时没有与实际工况相结合来确定加载载 U )货叉架初始模型 荷谱，相关结论可能与实际工况下疲劳可靠性有较大偏 差。文献[9]对路面随机激励下驱动桥壳的疲劳可靠性进 行了分析和优化;文献[10]提出了随机载荷作用下风电齿 轮箱轴承疲劳寿命预测方法，都取得了较好的结果。本文 则基于德国工程师协会规定的叉车试验VDI循环工况I 在对优化后的货叉架进行静态特性分析的基础上，运用 Miner疲劳理论[u],基于nCode Design Li£e [u]对优化前后的 ( b )优化后的货叉架模型 货叉疲劳仿真计算，最后结合实际进行试验验证，结果表 图1 货叉架的优化过程 明优化后的货叉架在质量不变的情况下，关键部位应力 点距离货叉根部500 mm ,安全系数为1.5,所以3.5 t 的货 大幅降低，疲劳寿命显著增加。 叉加载为52.5 kN 。货叉的材料参数如表1所示，建立的货 1 货叉架结构优化及有限元建模 叉有限元模型如图2所示。 新研发的货叉架做疲劳试验时，在第327 778次时断 裂 Cl所以，本文利用solidThinking Inspire114]软件的拓扑优 表1 货叉材料参数 化法对货叉架进行结构优化，建立的初始模型如图1U ) 名称 参数 所示，优化后，按照实际需要，规整后的货叉架三维模型 材料 Q345A 如图1(b )所示。 弹性模量/GPa 209 接着建立优化后的货叉架的有限元模型，为了与试 泊松比 0.28 验情况相一致，本文把货叉装在货叉架上进行静态仿真 抗拉强度/MPa 470 分析。把在UG 中建立的三维模型导人到Hyperwork软件 屈服强度/MPa 345 图2 货叉架的有限元模型 中，对模型