叉车主体结构的有限元设计与安全性能分析.docx
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叉车主体结构的有限元设计与安全性能分析
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
Abstract
Thelinkgroupcomprisesaconnectingrod,theconnectingrodcover,connectingrodbushing,connectingrodbearingandrodbolts（orscrews）.Theconnectingrodgroupundergasforcepistonpincameanditsswingandpistonreciprocatinginertiaforces,themagnitudeanddirectionoftheseforcesarecyclicalchanges.Theconnectingrodbycompression,stretchingandalternatingload.Theconnectingrodmusthaveenoughfatiguestrengthandstructuralstiffness.Thefatiguestrengthisinsufficient,oftencausedbyfractureofconnectingrodortheconnectingrodbolt,resultingindestructionofthemajoraccident.Ifthelackofrigidity,itwillcausedeformationofroundrodbendingdeformationandtheconnectingrod,piston,cylinder,causepartialgrindingbearingandcrankpin.
KeyWords:
ricethresherthreshing;improveddesign;
第1章绪论
现在，世界上所有的叉车技术上分为欧洲派和日系派，欧洲派林德叉车为首，特点是走路的系统采用静压传动，车身车架采用单元式，中间硅衰减减震阻尼，车辆微动性能好，噪音低，传动精度高的特点。
日系叉车一般是丰田叉车为首，特点是走路的系统采用液力传动，车身一体式框架，传动效率高，制造成本控制的特征。
世纪的年代到2000年前，世界叉车的年销售额超过40～70万台左右。
叉车物流装备，世界经济平稳的时候，叉车也经济平稳快速发展。
中国叉车发展经验的三个阶段。
第1阶段从建国到1978年，中国叉车的起源的阶段。
1953年上海生产的第一次的非机动搬运车，1958年沈阳电工机械工厂开发1.5吨的平衡重式电动叉车，年代上海交通装卸机械工厂开发的首次3吨内燃平衡重式叉车、山西机械工厂开发的第一次平衡重式1吨汽油叉车。
第二阶段，1978～2000年，中国叉车行业规范，发展的阶段。
1981年北京叉车总工厂，大连叉车总工厂的三菱汽车的技术引进，1985年安徽是力量，宝鸡叉车中医技术引进。
1987年刚三厂轧制14号，16号门机C型异型钢。
日本的技术，而叉车行业的门机型钢是焊接CC型变更CJ型。
目前国内3吨叉车主要的组合的机种490发动机。
1995年后叉车一般提高质量。
第三阶段，从2001年开始到现在，在这个阶段是中国叉车高速发展的阶段。
叉车生产量大幅度提高。
2005年，“导入，消化・吸收、创新”的策略，在辽宁宏昌轧钢厂OEM形式，采用开发的叉车C，J形门机异型钢结束了中国J型钢的历史，并在此基础上，开发了的10模型叉车门机异型钢，有力地促进了叉车行业的产品质量的提高，促进了叉车的出口也。
现在，中国叉车产品的规格基本与国际接轨。
叉车的范围从重量达到了0.5～46吨，高14米达，基本性地近和国际先进水平。
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。
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），清洁的排放叉车技术发展的主要方向
2），轻量化，设计
不同品种叉车的发展趋势：
1），电动叉车市场需求对比例内燃叉车、持续、快速提升。
2）、电动叉车的安装方式，串卷，他励、交流、永久磁石等顺序交替发展。
3）、内燃叉车、天然气叉车清洁排放可以达到国家，“4”的排放要求。
经济上，约40%的费用可以节省，动力性，蓄能方式，继续工作的时间性也出色的电动叉车，因此，日然气叉车急速的发展机遇。
4），生产汽油和柴油叉车企业，国家排放关注政策和发动机的技术的进步，石油价格走势，总体增长放缓。
发发
2.2.1国内外发展趋势
叉车小头很多薄壁圆的环状构造的减少，活塞销之间的磨损，小头孔内压入薄肉青铜衬套。
小头和布什钻孔和牛奶坦克，飞溅的润滑油泡沫布什和活塞销配合的表面。
叉车轴长棒的事，工作中受力大，那弯曲变形防止，轴必要充分的刚度。
因此，汽车发动机的叉车轴多采用Ⅰ形截面，Ⅰ形断面刚度和强度都充分的情况为最小高质量、发动机采用强化的H形截面。
有发动机采用叉车小头喷射冷却活塞发动机机油，须在轴纵钻通孔。
应力集中，以避免，叉车轴和小头，主要部分的连接大圆弧平滑转移。
发动机的振动必须降低各缸叉车的质量不限制在最小范围内，工厂组装发动机，一般是克计量单位叉车的大，小头质量分组，同样的发动机选用同组叉车。
型发动机，其左，右两排对应汽缸共用曲轴销，叉车排列叉车，叉形叉车及主要副叉车三种型式。
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
叉车的主要损伤的形式是疲劳断裂和过剩变形。
通常疲劳断裂部位叉车上的3个区域的高应力。
叉车的工作条件叉车高强度和抗疲劳性能；另外要求很充分的钢性和韧性。
传统叉车加工过程中其材料一般45钢，40Cr和40MnB等调质钢、硬度高，所以德国汽车企业的新型叉车C70S6高碳材料，例如微合金非调质钢，SPLITASCO系列锻造钢，FRACTIM锻造钢锻钢等S53CV-FS（以上都是德国din标准）。
合金钢非常高强度，对应力集中敏感的。
所以，叉车外形，过度的公亩等必要严格要求，应该注意的表面加工提高质量疲劳强度，否则高强度合金钢的应用预期效果不能达到。
第3章叉车设计
3.1叉车原理
叉车的身体三部分构成，活塞销连接的部分和叉车小头；与曲轴连接的部分和叉车大头，连接小头大头贴的杆部称叉车轴。
叉车小头很多薄壁圆的环状构造的减少，活塞销之间的磨损，小头孔内压入薄肉青铜衬套。
小头和布什钻孔和牛奶坦克，飞溅的润滑油泡沫布什和活塞销配合的表面。
叉车轴长棒的事，工作中受力大，那弯曲变形防止，轴必要充分的刚度。
因此，汽车发动机的叉车轴多采用Ⅰ形截面，Ⅰ形断面刚度和强度都充分的情况为最小高质量、发动机采用强化的H形截面。
有发动机采用叉车小头喷射冷却活塞发动机机油，须在轴纵钻通孔。
应力集中，以避免，叉车轴和小头，主要部分的连接大圆弧平滑转移。
发动机的振动必须降低各缸叉车的质量不限制在最小范围内，工厂组装发动机，一般是克计量单位叉车的大，小头质量分组，同样的发动机选用同组叉车。
型发动机，其左，右两排对应汽缸共用曲轴销，叉车排列叉车，叉形叉车及主要副叉车三种型式。
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
数学，有限要素法（FEM，FiniteElement）是一种求解微分方程边值问题近似解的数值技术。
解的时候全体的问题区域分解，各地区简单的部分，这个简单的部分就和有限的。
这是，变分法，误差函数最小值生成稳定解。
类比连接多级微小直线近似日元的思想，有限要素法在内的所有可能的方法很多，这些方法称为有限元的小领域上的简单方程相连，其更大的地域，推定上的复杂的方程式。
那是解域和许多被称为有限元的小的相互连接子区组成，每单元的假设一个合适的（比较简单的）近似解解，然后推导这个地区的总的条件（如结构的平衡条件），其结果问题解。
这是正确理解解，而是近似解，实际问题是比较简单的问题。
大部分的实际问题，正确理解难以得到有限元，计算精度高，它不仅能适应各种复杂形状，有效的手段工程分析。
位移模式选择
有限单元法，选择节点移位作为基本的未知量被称为位移法；选择节点力作为基本未知量称为力法；部分节点力和一部分的节点移位作为基本的未知量被称为混合法。
位移法容易实现计算自动化，所以，有限单元法最宽的应用范围位移法。
位移法录用的时候，物体或构造物离散化后，单位总的物理量等的位移，应变应力等节点位的一部分表示。
这个时候单位位移分布收割迫近原函数的近似函数说明。
通常，有限要素法我们位移坐标变量的简单的函数。
这个函数被称为位移模式和位移函数。
分析单元的力学的性质
单元的材料的性质不同，形状，尺寸、节点的数量，位置和意义等标题，单元节点力和节点移位的关系式，组合分析的关键的一步。
这个时候应用弹性力学的几何学的方程式和物理的方程式建立力和位移方程式引导，从而单元刚性矩阵，这是有限要素法的基本步骤之一。
计算等价节点力
物体离散化后，假设力、节点传给其他单位单元。
但是，实际上的连续对身体，力量单元的公共传达别的单元一边。
因此，这种作用机体境界上的表面力，体积力和集中力也需要转移等价的节点，等价的节点力代替所有的作用在单位的力量。
计算机技术的迅速发展，工程的领域，有限要素解析（自愿），越来越模拟真实的工程问题的解决。
这些年来，越来越多的工程师，应用数学者和物理学家证明这个解采用微分方程（PDE）的方法解决很多的物理现象，这些的微分方程用来说明流动，电磁场和结构力学等。
有限的方法用这些众所周知的数学方程式转化为近似的数码图像。
早期的有限的主要关注的专业领域，比如应力和疲劳，但是，一般来说，是一个物理现象。
例如，只是运动热，热反过来影响一些材料属性，例如导电率，化学反应速度的粘性等，流体。
这种物理系统的结合是我们所说的多的物理场，分析相比我们单独去分析物理场遥远复杂。
很明显，我们必要以上的物理场分析工具。
世纪90年代以前，计算机资源短缺，物理场模拟仅仅停留在理论的阶段，有限要素造型限定是单一的物理场的模拟，最多的是对力学，发烧，流体和电磁场的模拟。
看到有限元模拟的命运就是单独的物理场的模拟。
这种情况已经开始改变。
十经过数年的努力，计算科学的发展，为我们提供了更巧妙的快速算法简洁、更强大的硬件多的物理场的有限要素模拟成为可能。
新兴的有限要素法多物理场分析，提供新的机遇，满足了工程师真实物理系统的求解必要。
有限要素很多物理场的解的未来。
千言万语通道下以外显示多几个例子物理场的有限元分析未来的一些潜在的应用。
压电传声器电流转换音响压力场所，或者反过来，声场转换电流场。
这个装置是一般用空气和液体中的音源，比如相控阵麦克风，超声波生物图像装置、音响声纳传感器，生物治疗仪等，都可以利用一些的机械装置例如喷气式飞机压电马达等。
压电传声器3个不同的物理场：
结构的场，电场和流体中的声音。
只是有很多物理场分析能力的软件这个模型解。
压电材料的选择PZT5-H结晶，这个材料压电传感器比较广泛。
空气和晶体的境界方面，境界条件设定压力声场等于结构场的法线加速度，这样的压力空气中流传。
另外，结晶地区空气压力的影响，变形。
模拟的研究的振幅震荡200V，频率是300KHz电流发生后，结晶的声波传播。
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。
众多的物理建模的场所不同的优势是在学校，学生们直观以前不看取得的一些现象，简单易懂的表现也获得了学生们的好感度。
这是KrishanKumar博士纽约GlassboroRowan高的大学毕业的讲义传热方程课程介绍造型及分析工具的感觉，他的学生的课题是如何冷却的摩托车的发动的情况。
Bhatia博士教如何利用“设计、制造-检测”的理念做出判断，问题解决的问题，问题找到。
计算机模拟的应用的话，这种方法在课堂上的普及是不可想象的，所以需要的费用太大。
COMSOLMultiphysics优秀的用户界面，学生方便设置传热问题，并立即必要的结果。
“我的目标是所有学生都能理解的偏微分方程，的时候，还有这样的问题，他们已担心的是“博士说，“这是必须知道太多的分析工具，总的来说，学生反映这个模型工具“精彩”。
很多优秀的高科技工程公司多的物理模拟能帮助保持竞争力场。
众多的物理模型工具工程师场很多虚拟分析每次都需要实物测试。
是的，他们是经济迅速优化产品。
印度尼西亚的MedradInnovations集团，约翰Kalafut博士带领的研究队，采用多的物理研究细长场分析工具，用注射器血细胞的注射的过程中，这是一种非牛顿的流体，而且非常高剪切速率。
通过这次的学习，Medrad工程师制造了一个崭新的装置，被称为“前卫型血管造影导管刚才的传统导管相比喷嘴采用，采用扩散型喷嘴的新管造影剂更均匀分布。
造影剂是去透视拍照时，内脏器官病变显示更加清楚的特殊材料。
另一个问题是使用传统导管中造影剂有很大的速度，甚至可能会损伤血管。
前卫型血管造影降低血管导管造影剂产生的冲击力，最小血管损伤的可能性。
关键问题是怎么设计导管的喷嘴形状优化，双方的流体的速度可以减少构造变形。
Kalafut的研究小组多物理建模方法利用场层流发生的力量结合后应力应变分析，并且各种各样的喷嘴的形状，布局流固结合分析。
“我们的实习生对不同的流体喷嘴区域不同的配置，进行了分析Kalafut博士”，“这些分析结果利用这些评价新想法的可能性，并且降低实体模型制造的次数”。
摩擦搅拌焊接（FSW）以来，1991年专利申请被以来，已经广泛，铝合金焊接。
航空工业最初这些技术，采用正在研究如何利用那个制造成本降低。
摩擦搅拌焊接过程中，一个圆柱轴肩膀和头的转弯插入工具搅拌两张的金属连接。
转动轴肩膀和头搅拌来世热，但是这个热还不够熔化金属。
相反，软化塑性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所属结构，强度也原来的2倍。
这个焊接装置可以使用也不同类型的铝合金焊接。
空中客车（AirBus）资金很多关于摩擦搅拌焊接的研究。
制造商的大规模投资和重组的生产线前，Cranfield大学的PaulColegrove博士利用多的物理场分析工具，帮助理解了加工。
第一个研究成果摩擦搅拌焊接的数学模型，空中客车公司的工程师”“透视检查焊接温度分布和显微结构的变化。
Colegrove博士和他的研究小组编写的图形界面的模拟工具的工程师，空中客车直接提取材料的热属性和焊缝极限强度。
这个摩擦搅拌焊接模拟的过程中，三次元的热分析和二次元轴对称的涡流模拟结合起来。
热分析，热计算刀表面密度后，结构的热分布。
刀具的位移可以提取，热的边界条件和焊接处材料的福尔摩斯属性。
下面是刀表面处的三维热分布模特到二次元映射。
结合的模型是计算的过程中热流体的相互作用。
为基片的电磁，抵抗和导热行为结合花费的真正的物理场分析工具。
典型的应用于半导体的加工与退火的过程中，是一种感应加热的热利用壁炉，因此半导体晶片生长，这是电子行业中的一个重要的技术。
众多的物理场分析工具，指出的整体的基板热量的迁移，结构的应力变化和温度上升导致变形。
这样做可以使用提高回路基板设计的合理性和材料选择的合理性。
计算机能力的提高来有限元分析单场分析分析多场变成现实，未来几年的时间里，很多物理场分析工具是学术界和工程界的冲击。
单调的“设计－检查”的设计方法逐渐被淘汰，虚拟造型技术是你的思想到远方去，通过模拟革新的火花点火。
2000年以来，国内外非线形构造问题数値解法了大量的研究。
修改牛顿-拉爱普生的迭代法的出现，保证计算精度提供了保障。
但是，解结构极限强度来说，这种方法很难找到极限点。
Wright&；Gaylord发展的虚拟弹簧法保证后极限强度地域构造刚性行列正定成功，应用框架结构分析。
Bergan等提出了现在的刚度参数法，抑制临界地域平衡的反复进一步极限点。
Batoz为位移控制依法位移变化过程反求结构内力求，从而极限点结构后极限强度响应。
Riks首次弧长控制法,1981年由Crisfield、Ramm、Powell和Simons们重新评估，然后和修正牛顿-拉爱普生的法相结合，成功实现了后解极限平衡路径中的“段”（Snap郭跃-through）问题。
高素荷等区分的网格密度和有限要素解精度的关系研究。
各种各样的网格密度，不同的单位类型的有限要素动力学模型和计算结果正确理解的分析比较，探索研究单位的网格划分和有限要素解精度的内部关系，保证有限要素解满足工程实际精度要求的前提下，合理确定的网格密度，效率提高有限要素解析有益的探索。
研究证明几何尖角处，应力应变大变化的地域，有限元分析应选择适当增加高阶次单元单元网格密度。
这是，无法保证单元的形状，另外，精度提高精度，可解及加速收敛速度。
全自动网格分开，优先高阶单元。
网格区分和初步的理解的时候，先简后繁粗后，先精。
工程结构一般反复对称或轴对称，镜像对称等特点，提高解充分利用效率，反复和对称等特点，采用孩子对称结构和模型解效率和精度提高。
4.1.2有限元模态分析简介
模态分析研究结构动力特性的一种现代方法，系统的辨别方法是工程的振动的领域的应用。
模态机械结构的固有振动特性，每一个模式是特定的固有频率，阻尼比模态振型。
这些模态参数计算和考试从分析，取得的计算和考试分析过程被称为模态分析。
如果这个分析过程有限元计算方法取了，计算模态分析称；如果考试通过采集系统输入和输出信号参数获得识别模态参数，称为考试模态分析。
通常，模态分析，考试模态分析。
振动模式的弹性的结构的固有的，全体的特性。
模态分析的方法，通过清醒的构造物的容易被影响的频率范围内的各主要模式的特性，那个对应预言结构内外部或内部各种：
的作用下发生的实际的振动响应。
所以，模态分析结构设计及设备故障诊断动态的重要方法。
机械、建筑、航天飞机，船舶、汽车等实际的振动模式各自不同。
模态分析提供了各类振动特性研究的有效途径。
首先，构造物静止状态人为加振，通过测定加振力和响应双通道快速傅立叶变换（FFT）的分析，任意两点之间的机械导纳函数（传递函数）。
模态分析理论考试导纳函数拟合的曲线，认识构造物模态参数，建立从而构造物模态模型。
模态叠加原理，已知的各种载荷时间过程的场合，预言结构物的实际的振动的反应过程和反应谱。
这十几年，计算机技术FFT分析仪，高速数据采集系统和振动传感器，驱动程序等的技术的发展，得到考试模态分析的迅速的发展的影响，机械、电气、建筑、水利、航空、航天等众多产业部门的重视。
已经多种等级，各种原理的模态分析硬件和软件登场。
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Projectschematic界面，如上图所示
在AnalysisSystems中点击StaticStructural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
区分网格前，用户首先需要对模型中将使用单位设定。
单元的属性主要是：
单元类型，实常数，材料常数。
典型的实常数，厚度，截面，高度，梁的惯性等。
材料的属性包括：
弹性模量、泊松分布，密度，热膨胀系数等。
ANSYS为用户提供了两种网格分割类型：
自由与映射
所谓的“自由”的体现，不特定的标准，单元形状无限制，生成机体不规律，基本上适用于所有的模型。
自由网格生成的内部节点位置比较随意，用户无法控制。
操作方法是打开MeshTool工具栏的自由选择。
用单元形状于是对面是身体依赖网格区分。
对面的自由，只有网格是四角形的组合也尽量三角形单元组成，或两者混合。
身体有自由、网格单元限制四面体。
映射网格区分要求方面和身体的形状，一定规则，且映射面网格只包括三角形的单位和四角形的单位，映射身体网格只包括六面体单元，这就是规则生成单元形状形状，适用规则的脸和身体。
网格映射分，生成单元尺寸依靠，当前DSIZEESIZE，KESIZE，LESIZE和ASIZE设置。
Smartsize不能用于映射网格区分。
使用时硬时，不支持映射网格的区分。
这方面是3或4条线围起来，腋下相等的单元的分割数必须。
如果这方面3条线围成三条方面的单元的分割数等于是偶数，必须要。
对边格数的差别，平等，或网格边数相等，另外的格数的差是偶数，网格区分映射。
如果一个方面比4条线围成，那是直接采用映射网格被分为了，但是，总的线数量的减少4，其中的一些线配合（add）和连接（concatenated，一种区分网格时的操作）。
代替连接操作（concatenation），拾音器方面的3个或四角点面映射网格，分为它简化的方法的两个分映射网格点之间的内部连接线。
为了得到映射网格，必须在一旁指定相等的线的分割数（或定义线的分割数对应的接力方式）。
不需要所有的线指定分割数，只要采用映射网格，分程序线的分割数1根边，一边传达传达给所有的旁边的网格方面）区分
身体映射网格：
为了一个人分割六面体单位，必须满足・了块形状（六面体）、5面体和四方面的体形•对面和定义的单元的分割数必须等于
・如果身体棱柱形和四面的尺寸，三角形方面的单元的分割数是偶数·相对缘区分的学分，必须等于
导入模型以后如上图所示，打开主界面,对模型进行网格划分，点击mesh功能旋向，右击插入mesh方法，选择sizing，即设定网格大小。
设定整体网格大小为1mm。
点击mesh，软件对模型进行网格划分，划分结果如下图所示：
可以看到最终网格划分效果，以及网格数量，如下图：
如图所示，网格总数量为487658，节点数量为170523
网格质量100
4.4边界条件设定
网格划分完毕需要对整体装置进行边界条件设定，如下图所示，为模型固定条件，即模型中某些零部件进行固定设定。
设定轴承外圈上与小棍接触部分为固定。
即fixedsupport
另外设定约束条件，即受力载荷或者位移载荷
设定与轴承外圈接触的冷碾辊部分以及外部受力打小为2000N
如上图所示
4.5强度分析
点solve，软件对模型进行计算，最终计算结果如下图
第5章分析结果
5.1顶棚分析结论
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