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）

1、分 类 号 密 级 宁毕业设计(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

2、图纸，三维，加153893706abstractthe 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 dir

3、ection 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,

4、 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;目 录摘 要iiiabstractiv目 录v第1章 绪

5、论1第2章 叉车简介22.1 叉车工作原理22.2 叉车发展状况及部分功能32.2.1国内外发展趋势52.2.2 防翻架的特性72.2.3 顶棚的作用及意义9第3章 叉车结构设计113.1 叉车设计133.2 叉车配件设计14第4章 有限元分析164.1 有限元简介164.1.1 有限元强度分析简介164.1.2 有限元模态分析简介164.2 前处理174.3 网格划分194.4 边界条件设定214.5 强度分析224.6 模态分析23第5章 分析结果245.1 顶棚分析结论255.2 防翻架分析结论25结论26参考文献27致 谢28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

6、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6

7、0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

8、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。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

9、。 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： 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

10、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

11、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

12、，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

13、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

14、车及主副叉车三种型式。3.2 叉车配件设计叉车盖设计如上图所示第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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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，这样可以将压力传到空气中去

20、。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”

21、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m

22、edrad 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

23、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

24、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

25、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

26、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

27、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,

28、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

29、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；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

30、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

31、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meshtool