毕业设计（论文）-叉车主体结构的有限元设计与安全性能分析（全套图纸三维）.pdf

1 分 类 号 密 级 毕业设计(论文) 叉车主体结构的有限元设计与安全性能分析 所 在 学 院 机 械 与 电 气 工 程 学 院 专 业 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 班 级 11 机 自 x 班 姓 名 学 号 指 导 老 师 2015 年 3 月 31 日 ii 摘 要 叉车是现在人们常用的搬运车辆之一，是成件托盘货物进行装卸、堆垛和短距离 运输、重物搬运作业的各种轮式搬运车辆。广泛应用于港口、车站、机场、货场、工厂 车间、仓库、流通中心和配送中心等，并可进入船舱、车厢和集装箱内进行托盘货物的 装卸、搬运作业，是托盘运输、集装箱运输中必不可少的设备。叉车应用之广泛，使用 之频繁，必然引起叉车设计者及叉车使用人员对叉车主体结构和安全性能的重视。 关键词：叉车，强度 全套图纸，三维，加全套图纸，三维，加 153893706 iii iv abstract the link group comprises a connecting rod, the connecting rod cover, connecting rod bushing, connecting rod bearing and rod bolts (or screws). the connecting rod group under gas force piston pin came and its swing and piston reciprocating inertia forces, the magnitude and direction of these forces are cyclical changes. the connecting rod by compression, stretching and alternating load. the connecting rod must have enough fatigue strength and structural stiffness. the fatigue strength is insufficient, often caused by fracture of connecting rod or the connecting rod bolt, resulting in destruction of the major accident. if the lack of rigidity, it will cause deformation of round rod bending deformation and the connecting rod, piston, cylinder, cause partial grinding bearing and crank pin. key words: rice thresher threshing; improved design; v 目目 录录 摘 要 . ii abstract. iv 目 录 . v 第 1 章 绪论 7 第 2 章 叉车简介 7 2.1 叉车工作原理 8 2.2 叉车发展状况及部分功能 8 2.2.1 国内外发展趋势 . 5 2.2.2 防翻架的特性 7 2.2.3 顶棚的作用及意义 9 第 3 章 叉车结构设计 11 3.1 叉车设计 13 3.2 叉车配件设计 110 第 4 章 有限元分析 112 4.1 有限元简介 112 4.1.1 有限元强度分析简介 112 4.1.2 有限元模态分析简介 116 4.2 前处理 . 1 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.3 网格划分 19 4.4 边界条件设定 21 4.5 强度分析 22 4.6 模态分析 23 第 5 章 分析结果 24 5.1 顶棚分析结论 25 5.2 防翻架分析结论 25 vi 结论 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 7 第 1 章 绪论 目前，世界上所有的叉车在技术上分为欧系派和日系派，欧系派以林德叉车为代 表，特点是行走系统采用静压传动，车体采用上下车架组合式，中间有硅阻尼减震器减 震，整车具有微动性能好，噪声低，传动精度高的特点。而日系叉车一般以丰田叉车为 代表，特点是行走系统采用液力传动，车体为整体式车架，具有传动效率高，制造成本 有效控制的特点。 上世纪年代后到 2000 年前，世界叉车的年销量在 4070 万辆左右。叉车作为 物流装备，当世界经济平稳运行时，叉车也将随着经济的平稳运行而平稳发展。中国叉 车的发展经历了三个阶段。第一阶段从建国开始到 1978 年，是中国叉车的起源阶段。 1953 年上海生产了第一台非机动搬运车，1958 年沈阳电工机器厂研制了 1.5 吨电动平 衡重式叉车，上世纪 60 年代，上海交通装卸机械厂研制了首台 3 吨内燃平衡重式叉车， 山西机器厂研制出了首台 1 吨平衡重式汽油叉车。第二阶段，19782000 年，是中国叉 车行业规范、发展的阶段。1981 年北京叉车总厂、大连叉车总厂引进了三菱技术，1985 年安徽合力、宝鸡叉车引进了 tcm 技术。1987 年上刚三厂轧制了 14 号、16 号门架 c 形 异型钢。根据日本技术，叉车行业的门架型钢由 cc 型改为焊接的 cj 型。现国内 3 吨叉 车主要的配套机型为 490 发动机。1995 年后叉车质量得到了普遍提高。第三阶段，2001 年到现在，这一阶段是中国叉车高速发展的阶段。叉车生产量大大提升。20006 年，按 照“引进、消化、吸收、创新”的策略，在辽宁宏昌轧钢厂采用 oem 的形式，开发出了 叉车 c、j 形门架异型钢，结束了中国没有 j 型钢的历史，并在此基础上，开发了 10 个 型号的叉车门架异型钢， 有力地促进了叉车行业产品质量的提高， 也促进了叉车的出口。 现在，中国叉车在产品规格型号上，已经基本与国际接轨。叉车起重量的范围达到了 0.546 吨，高度 14 米，基本接近或达到国际先进水平。 8 第 2 章 叉车简介 2.1 叉车工作原理 叉车机构中的构件有杆状、块状、偏心轮、偏心轴和曲轴等型式。当构件上两转动副轴线间距较大 时，一般做成杆状。 带两个转动副的双副杆结构： 带三个转动副的三副杆结构： 杆状结构的构件应尽量做成直杆。有时为了避免构件之间的运动干涉，也可将杆状构件做成其他结 构。 带三个转动副的三副杆的结构设计较为灵活，与三个转动副的相对位置和构件加工工艺有关， 下图为 8 种典型结构形式： 9 2.2 叉车叉车发展状况 1）、清洁排放是叉车技术发展的首要方向 2）、轻量化设计 不同品种叉车的发展趋势: 1）、电动叉车市场需求的比例相对于内燃叉车而言，将会持续、快速的提高。 2）、电动叉车的励磁方式，将会按照串励、他励、交流、永磁等的顺序换代发展。 3）、内燃叉车中，由于天然气叉车在清洁排放上，可以达到“国四”的排放要求； 在经济性上，可以节省大约 40%的费用，在动力性上、蓄能方式上、持续工作时间上都 优于电动叉车，因此，天然气叉车将会迎来快速的发展机遇。 4）、生产汽油和柴油叉车的企业，应当关注国家的排放政策和发动机的技术进步， 以及石油价格的走势，整体上增速会放缓。 发发 2.2.1 国内外发展趋势 叉车小头多为薄壁圆环形结构，为减少与活塞销之间的磨损，在小头孔内压入薄壁 青铜衬套。在小头和衬套上钻孔或铣槽，以使飞溅的油沫进入润滑衬套与活塞销的配合 表面。叉车杆身是一个长杆件，在工作中受力也较大，为防止其弯曲变形，杆身必须要 具有足够的刚度。为此，车用发动机的叉车杆身大都采用形断面， 形断面可以在 刚度与强度都足够的情况下使质量最小，高强化发动机有采用 h 形断面的。有的发动机 采用叉车小头喷射机油冷却活塞，须在杆身纵向钻通孔。为避免应力集中，叉车杆身与 小头、大头连接处均采用大圆弧光滑过渡。 为降低发动机的振动，必须把各缸叉车的质量差限制在最小范围内，在工厂装配发 动机时，一般都以克为计量单位按叉车的大、小头质量分组，同一台发动机选用同一组 叉车。 v 型发动机上，其左、右两列的相应气缸共用一个曲柄销，叉车有并列叉车、叉形 叉车及主副叉车三种型式。 2.2.2 叉车的整机结构及选择 10 叉车组件由叉车轴，叉车盖，小轴套，大轴瓦，螺丝等组成，如上图所示 2.2.3 叉车叉车的工作流程 叉车的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。通常疲劳断裂的部位是在叉车上的三 个高应力区域。叉车的工作条件要求叉车具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足 够的钢性和韧性。 传统叉车加工工艺中其材料一般采用 45 钢、 40cr 或 40mnb 等调质钢， 硬度更高，因此，以德国汽车企业生产的新型叉车材料如 c70s6 高碳微合金非调质钢、 splitasco 系列锻钢、fractim 锻钢和 s53cv-fs 锻钢等(以上均为德国 din 标准)。合金 钢虽具有很高强度，但对应力集中很敏感。所以，在叉车外形、过度圆角等方面需严格 要求，还应注意表面加工质量以提高疲劳强度，否则高强度合金钢的应用并不能达到预 期效果。 第 3 章 叉车设计 3.1 叉车原理 叉车体由三部分构成，与活塞销连接的部分称叉车小头；与曲轴连接的部分称叉车 大头，连接小头与大头的杆部称叉车杆身。 叉车小头多为薄壁圆环形结构，为减少与活塞销之间的磨损，在小头孔内压入薄壁 青铜衬套。在小头和衬套上钻孔或铣槽，以使飞溅的油沫进入润滑衬套与活塞销的配合 表面。叉车杆身是一个长杆件，在工作中受力也较大，为防止其弯曲变形，杆身必须要 具有足够的刚度。为此，车用发动机的叉车杆身大都采用形断面， 形断面可以在 刚度与强度都足够的情况下使质量最小，高强化发动机有采用 h 形断面的。有的发动机 采用叉车小头喷射机油冷却活塞，须在杆身纵向钻通孔。为避免应力集中，叉车杆身与 小头、大头连接处均采用大圆弧光滑过渡。 为降低发动机的振动，必须把各缸叉车的质量差限制在最小范围内，在工厂装配发 动机时，一般都以克为计量单位按叉车的大、小头质量分组，同一台发动机选用同一组 叉车。v 型发动机上，其左、右两列的相应气缸共用一个曲柄销，叉车有并列叉车、叉 形叉车及主副叉车三种型式。 11 3.2 叉车配件设计 叉车盖设计如上图所示 12 第 4 章 有限元分析 4.1 有限元简介 4.1.1 有限元强度分析简介 在数学中，有限元法（fem，finite element method）是一种为求解偏微分方 程边值问题近似解的数值技术。求解时对整个问题区域进行分解，每个子区域都成为简 单的部分，这种简单部分就称作有限元。它通过变分方法，使得误差函数达到最小值并 产生稳定解。 类比于连接多段微小直线逼近圆的思想， 有限元法包含了一切可能的方法， 这些方法将许多被称为有限元的小区域上的简单方程联系起来，并用其去估计更大区域 上的复杂方程。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元 假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡 条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单 的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且 能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 选择位移模式 在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基 本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合 法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。 当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元总的一些物理量如位移， 应变和应力等由节点位移来表示。 这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数 的近似函数予以描述。通常，有限元法我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。这种 函数称为位移模式或位移函数。 分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力 和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方 程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本 步骤之一。 计算等效节点力 13 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实际 的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界 上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代 替所有作用在单元上的力。随着计算机技术的迅速发展，在工程领域中，有限元分析 （fea）越来越多地用于仿真模拟，来求解真实的工程问题。这些年来，越来越多的工 程师、应用数学家和物理学家已经证明这种采用求解偏微分方程（pde）的方法可以求 解许多物理现象，这些偏微分方程可以用来描述流动、电磁场以及结构力学等等。有限 元方法用来将这些众所周知的数学方程转化为近似的数字式图象。 早期的有限元主要关注于某个专业领域，比如应力或疲劳，但是，一般来说，物理 现象都不是单独存在的。 例如， 只要运动就会产生热， 而热反过来又影响一些材料属性， 如电导率、化学反应速率、流体的粘性等等。这种物理系统的耦合就是我们所说的多物 理场，分析起来比我们单独去分析一个物理场要复杂得多。很明显，我们需要一个多物 理场分析工具。 在上个世纪 90 年代以前，由于计算机资源的缺乏，多物理场模拟仅仅停留在理论 阶段，有限元建模也局限于对单个物理场的模拟，最常见的也就是对力学、传热、流体 以及电磁场的模拟。看起来有限元仿真的命运好像也就是对单个物理场的模拟。 这种情况已经开始改变。经过数十年的努力，计算科学的发展为我们提供了更灵巧 简洁而又快速的算法，更强劲的硬件配置，使得对多物理场的有限元模拟成为可能。新 兴的有限元方法为多物理场分析提供了一个新的机遇，满足了工程师对真实物理系统的 求解需要。有限元的未来在于多物理场求解。 千言万语道不尽，下面只能通过几个例子来展示多物理场的有限元分析在未来的一 些潜在应用。 压电扩音器可以将电流转换为声学压力场，或者反过来，将声场转换为电流场。这 种装置一般用在空气或者液体中的声源装置上，比如相控阵麦克风，超声生物成像仪， 声纳传感器，声学生物治疗仪等，也可用在一些机械装置比如喷墨机和压电马达等。 压电扩音器涉及到三个不同的物理场：结构场，电场以及流体中的声场。只有具有 多物理场分析能力的软件才能求解这个模型。 压电材料选用 pzt5-h 晶体，这种材料在压电传感器中用得比较广泛。在空气和晶 体的交界面处，将声场边界条件设置为压力等于结构场的法向加速度，这样可以将压力 14 传到空气中去。另外，晶体域中又会因为空气压力对其的影响而产生变形。仿真研究了 在施加一个幅值 200v，震荡频率为 300 khz 的电流后，晶体产生的声波传播。这个模型 的描述及其完美的结果表明在任何复杂的模型下，我们都可以用一系列的数学模型进行 表达，进而求解。 多物理场建模的另外一个优势就是在学校里，学生们直观地获取了以前无法见到的 一些现象，而简单易懂的表达方式也获得了学生们的好感。这只是 krishan kumar 博士 在纽约 glassboro 的 rowan 大学给高年级的毕业生讲授传热方程课程时介绍建模及分 析工具所感受到的， 他的学生的课题是如何冷却一个摩托车的发动机箱。 bhatia 博士教 他们如何利用“设计制造检测”的理念来判断问题、找出问题、解决问题。如果没 有计算机仿真的应用，这种方法在课堂上推广是不可想象的，因为所需费用实在是太大 了。 comsol multiphysics 拥有优秀的用户界面，可以使学生方便地设置传热问题，并 很快得到所需要的结果。“我的目标是使每个学生都能了解偏微分方程，当下次再遇到 这样的问题时，他们不会再担心，”博士说，“这不需要了解太多的分析工具，总的来 说，学生都反映这个建模工具太棒了”。 很多优秀的高科技工程公司已经看到多物理场建模可以帮助他们保持竞争力。 多物 理场建模工具可以让工程师进行更多的虚拟分析而不是每次都需要进行实物测试。这 样，他们就可以快速而经济地优化产品。在印度尼西亚的 medrad innovations group 中，由 john kalafut 博士带领着一个研究小组，采用多物理场分析工具来研究细长的 注射器中血细胞的注射过程，这是一种非牛顿流体，而且具有很高的剪切速率。 通过这项研究， medrad 的工程师制造了一个新颖的装置称为先锋型血管造影导管同 采用尖喷嘴的传统导管相比，采用扩散型喷嘴的新导管使得造影剂分布得更加均匀。造 影剂就是在进行 x 光拍照时，将病变的器官显示得更加清楚的特殊材料。 另外一个问题就是传统导管在使用过程中可能会使得造影剂产生很大的速度， 进而 可能会损伤血管。先锋型血管造影导管降低了造影剂对血管产生的冲击力，将血管损伤 的可能性降至最低。 关键的问题就是如何去设计导管的喷嘴形状，使其既能优化流体速度又能减少结构 变形。 kalafut 的研究小组利用多物理场建模方法将层流产生的力耦合到应力应变分 析 中去，进而对各种不同喷嘴的形状、布局进行流固耦合分析。“我们的一个实习生针对 15 不同的流体区域建立不同的喷嘴布局，并进行了分析，” kalafut 博士说，“我们利用 这些分析结果来评估这些新想法的可行性，进而降低实体模型制造次数”。 摩擦搅拌焊接（fsw），自从 1991 年被申请专利以来，已经广泛应用于铝合金的焊 接。航空工业最先开始采用这些技术，正在研究如何利用它来降低制造成本。在摩擦搅 拌焊接的过程中，一个圆柱状具有轴肩和搅拌头的刀具旋转插入两片金属的连接处。旋 转的轴肩和搅拌头用来生热，但是这个热还不足以融化金属。反之，软化呈塑性的金属 会形成一道坚实的屏障，会阻止氧气氧化金属和气泡的形成。粉碎，搅拌和挤压的动作 可以使焊缝处的结构比原先的金属结构还要好，强度甚至可以到原来的两倍。这种焊接 装置甚至可以用于不同类型的铝合金焊接。 空中客车（airbus）资助了很多关于摩擦搅拌焊接的研究。在制造商大规模投资和 重组生产线之前，cranfield 大学的 paul colegrove 博士利用多物理场分析工具帮助他 们理解了加工过程。 第一个研究成果是一个摩擦搅拌焊接的数学模型，这让空客的工程师“透视”到焊 缝中来检查温度分布和微结构的变化。colegrove 博士和他的研究小组还编写了一个带 有图形界面的仿真工具，这样空客的工程师可以直接提取材料的热力属性以及焊缝极限 强度。 在这个摩擦搅拌焊接的模拟过程中，将三维的传热分析和二维轴对称的涡流模拟耦 合起来。传热分析计算在刀具表面施加热流密度后，结构的热分布。可以提取出刀具的 位移，热边界条件，以及焊接处材料的热学属性。接下来将刀具表面处的三维热分布映 射到二维模型上。耦合起来的模型就可以计算在加工过程中热和流体之间的相互作用。 将基片的电磁、电阻以及传热行为耦合起来需要一个真正的多物理场分析工具。一 个典型的应用是在半导体的加工和退火的工艺中，有一种利用感应加热的热壁熔炉，它 用来让半导体晶圆生长，这是电子行业中的一项关键技术。 多物理场分析工具可以分析出整个电路板上热量的转移，结构的应力变化以及由于 温度的上升导致的变形。这样做可以用来提升电路板设计的合理性以及材料选择的合理 性。 计算机能力的提升使得有限元分析由单场分析到多场分析变成现实，未来的几年 内，多物理场分析工具将会给学术界和工程界带来震惊。单调的“设计校验”的设计 16 方法将会慢慢被淘汰，虚拟造型技术将让你的思想走得更远，通过模拟仿真将会点燃创 新的火花。 自 2000 年以来,国内外对非线性结构问题的数值解法做了大量的研究。修正的牛顿 拉普森迭代法的出现,为保证计算精度提供了保障。但是,对求解结构极限强度而言, 这种方法仍很难找到极限点。 wright&gaylord 发展了假想弹簧法以保证后极限强度区域 结构刚度矩阵的正定,并成功应用于框架结构的分析。 bergan 等提出了当前刚度参数法, 来抑制临界区域的平衡迭代进而穿越极限点。 batoz 提出了位移控制法,通过施加已知位 移变化过程反求结构内力,从而穿越极限点求出结构的后极限强度响应。riks 首次提出 弧长控制法,1981 年由 crisfield、ramm、powell 和 simons 等人做了改进,并与修正的 牛顿拉普森法相结合,成功地实现了求解后极限平衡路径中的“阶 跃”(snap-through)问题。高素荷等人对网格划分密度与有限元求解精度的关系进行了 研究。通过对不同网格密度、不同单元类型的有限元力学模型计算结果与精确解的分析 比较,探索研究单元网格划分与有限元求解精度的内在联系,为在保证有限元解满足工 程实际精度要求的前提下,确定合理的网格密度,提高有限元分析效率进行了有益的探 索。研究证明:对于几何尖角处、应力应变变化较大区域,有限元分析时应选择高阶次单 元,并适当增加单元网格密度。这样,既可保证单元的形状,同时,又可提高求解精度、准 确性及加快收敛速度。全自动划分网格时,优先考虑选用高阶单元。在网格划分和初步 求解时,应做到先简后繁,先粗后精。由于工程结构一般具有重复对称或轴对称、镜象对 称等特点,为提高求解效率,应充分利用重复与对称等特征,采用子结构或对称模型以提 高求解效率和精度。 4.1.2 有限元模态分析简介 模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域 中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比 和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程 称为模态分析。 这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的， 则称为计算模态分析； 17 如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态 分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。 振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚了结构物在某 一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或 内部各种振源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障 诊断的重要方法。 机器、建筑物、航天航空飞行器、船舶、汽车等的实际振动模态各不相同。模态分 析提供了研究各类振动特性的一条有效途径。首先，将结构物在静止状态下进行人为激 振，通过测量激振力与响应并进行双通道快速傅里叶变换（fft）分析，得到任意两点 之间的机械导纳函数（传递函数）。用模态分析理论通过对试验导纳函数的曲线拟合， 识别出结构物的模态参数，从而建立起结构物的模态模型。根据模态叠加原理，在已知 各种载荷时间历程的情况下，就可以预言结构物的实际振动的响应历程或响应谱。 近十多年来，由于计算机技术、fft 分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器、 激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电力、建筑、水 利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。已有多种档次、各种原理的模态分析硬件 与软件问世。 4.2 前处理 打开 ansys 软件，界面如图所示 18 点击 geometry 功能选项，将其拖入 project schematic 界面，如上图 所示 在 analysis systems 中点击 static structural 功能选项，将其拖入 到 geometry 旋向框上面，如图所示，自动生成分析选项界面。 导入模型以后，需要对模型赋予材质。本结构中，零部件材质设定为 19 结构钢 杨氏模量为 2.1e13pa 泊松比为 0.3 如下图所示，分别对每个零部件进行材料设定 4.3 网格划分 在划分网格前，用户首先需要对模型中将要用到的单元属性进行定义。 单元属性主要包括：单元类型、实常数、材料常数。典型的实常数包括： 厚度、横截面面积、高度、梁的惯性矩等。材料属性包括：弹性模量、 泊松比、密度、热膨胀系数等。 ansys 为用户提供了两种网格划分类型：自由和映射 所谓“自由”，体现在没有特定的准则，对单元形状无限制，生成的单 元不规则，基本适用于所有的模型。自由网格生成的内部节点位置比较 随意，用户无法控制。操作方式是打开 mesh tool 工具条上的 free 选 项。所用单