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1 研究背景

機罩是叉車的外觀結(jié)構(gòu)件,上方安裝座椅,承受駕駛員重力。內(nèi)部安裝氣彈簧,承受氣彈簧力。叉車使用過程中,機罩會受到動載荷的作用,常年累月存在疲勞破壞的可能,這超出了計算機輔助工程靜力學(xué)分析的范疇,需要通過疲勞分析進行研究。

叉車機罩疲勞壽命為高周疲勞,分析常使用應(yīng)力壽命疲勞損傷模型,以材料的應(yīng)力壽命曲線為基礎(chǔ)[1-2]。

2 臺架疲勞試驗過程

叉車機罩臺架疲勞試驗的方法是將質(zhì)量為75 kg的質(zhì)塊提升到設(shè)定高度,然后放開使其做自由落體運動落至座椅上。等待設(shè)定時間后再重復(fù)這一過程,如此循環(huán)往復(fù),直至機罩上某處產(chǎn)生疲勞裂紋。臺架疲勞試驗中,質(zhì)塊下落至座椅上的工況用于模擬駕駛員坐在座椅上的工況。通過臺架疲勞試驗,可以快速獲得叉車機罩薄弱位置的疲勞壽命。

試驗對象為小噸位內(nèi)燃叉車機罩,叉車臺架疲勞試驗的結(jié)果為左前方座椅安裝孔附近開裂,具體位置為導(dǎo)軌與機罩的接觸面前端。叉車機罩結(jié)構(gòu)及臺架疲勞試驗開裂位置如圖1所示,試驗結(jié)果照片如圖2所示。經(jīng)過兩次臺架試驗,得到了兩種疲勞壽命結(jié)果,分別如下:提升高度為80 mm時,疲勞壽命為6.8萬次;提升高度為55 mm時,疲勞壽命為22.9萬次。

圖1 叉車機罩結(jié)構(gòu)

圖2 叉車機罩臺架疲勞試驗結(jié)果照片

3 靜力學(xué)分析

叉車機罩靜力學(xué)分析是后繼研究和疲勞分析的基礎(chǔ),需要建立準確的機罩有限元模型[3-4]。使用HyperMesh軟件對叉車機罩進行有限元分析,使用二維殼單元劃分網(wǎng)格,使用Spotweld單元模擬焊接,在后方鉸鏈孔與前方支撐墊處施加約束,考慮加載75 kg質(zhì)塊的對應(yīng)重力載荷,同時考慮座椅導(dǎo)軌與機罩間的作用力分布情況。叉車機罩靜力學(xué)分析應(yīng)力云圖如圖3所示,可以看出,在臺架疲勞試驗中產(chǎn)生破壞的螺栓孔附近存在較大的應(yīng)力。

對叉車機罩進行應(yīng)變測試,選取螺栓孔附近應(yīng)力梯度較小的兩個點為測點,測得一段時間內(nèi)對應(yīng)工況下的應(yīng)變時間曲線,使用nCode軟件進行數(shù)據(jù)處理,即可得到測點的應(yīng)力時間曲線。

圖3 叉車機罩靜力學(xué)分析應(yīng)力云圖

使用臺架疲勞試驗中質(zhì)塊落至座椅上保持穩(wěn)定的應(yīng)力測試結(jié)果與有限元分析結(jié)果進行對比,誤差約為2%,見表1。造成誤差的原因包括實際加載位置差異、螺栓預(yù)緊力影響、導(dǎo)軌與機罩接觸影響、測點位置偏差等。

表1 靜力學(xué)分析結(jié)果與測試結(jié)果對比

4 機罩疲勞分析

4.1 材料應(yīng)力壽命曲線

機罩的材料為DC06鋼,厚度為1.5 mm。nCode軟件自帶的材料庫中沒有該材料,筆者使用以下方法自定義并修正得到該材料的應(yīng)力壽命曲線:自定義應(yīng)力壽命曲線,使用該曲線進行試驗疲勞分析;對比分析的壽命結(jié)果與試驗的壽命結(jié)果,差異較大則調(diào)整自定義應(yīng)力壽命曲線,直至兩種結(jié)果的差異很小為止。

試驗疲勞分析方法為:使用有限元分析結(jié)果中螺栓孔附近破壞位置大應(yīng)力與測點應(yīng)力的比值1.83作為放大因數(shù),結(jié)合兩種質(zhì)塊下落高度下測點的應(yīng)變時間曲線,得到螺栓孔附近大應(yīng)力點的應(yīng)變時間曲線;再結(jié)合自定義材料應(yīng)力壽命曲線,便可基于nCode軟件試驗疲勞分析方法得到對應(yīng)的疲勞壽命分析結(jié)果。

根據(jù)已有的兩種臺架疲勞試驗壽命結(jié)果,最終調(diào)整得到材料的自定義應(yīng)力壽命曲線如圖4所示。使用這一應(yīng)力壽命曲線得到試驗疲勞分析結(jié)果:下落高度為80 mm時,疲勞壽命為6.8萬次;下落高度為55 mm時,疲勞壽命為22.7萬次。

圖4 材料應(yīng)力壽命曲線

材料疲勞壽命數(shù)據(jù)具有顯著的離散性特征,高應(yīng)力水平條件下,疲勞壽命的離散因數(shù)約為2,而在低應(yīng)力水平條件下,疲勞壽命的離散因數(shù)可達100左右[5]。因為疲勞破壞位置的應(yīng)力較大,疲勞壽命的離散因數(shù)較小,所以通過兩次試驗結(jié)果得到的自定義應(yīng)力壽命曲線具有一定的準確性,可以用于進一步的疲勞分析。

4.2 機罩疲勞壽命預(yù)測

線性疲勞累積損傷理論認為,相同應(yīng)力水平產(chǎn)生的疲勞損傷相同,且與加載順序無關(guān)。構(gòu)件疲勞損傷為各次循環(huán)載荷疲勞損傷的總和,當總損傷等于或大于1時,認為發(fā)生疲勞失效[6-8]。

在臺架疲勞試驗前,直接將已貼好應(yīng)變片的機罩安裝到叉車上,由駕駛員進行強化試驗,可得到測點在強化試驗過程中的應(yīng)變時間曲線,這一曲線中包括了駕駛員上下車和跑等強化試驗工況。截取強化試驗工況對應(yīng)時間段的應(yīng)變時間曲線,結(jié)合自定義應(yīng)力壽命曲線,應(yīng)用nCode軟件分析得到駕駛員上下車一次叉車機罩的疲勞損傷為2.9×10-6,駕駛員跑一圈叉車機罩的疲勞損傷為2.09×10-8。

假設(shè)叉車的常規(guī)使用工況為1 d運行8 h,其間駕駛員上下車50次,完成強化試驗335圈。根據(jù)Palmgren-Miner線性疲勞損傷累積法則[9-10],計算得到1 d運行8 h的總損傷為1.52×10-4,對應(yīng)的疲勞壽命為18 a。

5 結(jié)束語

基于叉車機罩兩次臺架疲勞試驗結(jié)果,結(jié)合nCode軟件試驗疲勞分析,得到機罩材料的應(yīng)力壽命曲線。結(jié)合此應(yīng)力壽命曲線、測點應(yīng)變時間曲線及有限元分析結(jié)果,得到試驗臺工況下的疲勞壽命,與試驗結(jié)果具有較好的一致性。結(jié)合叉車強化試驗應(yīng)變時間曲線,分析得到假設(shè)工作條件下的疲勞壽命。通過研究,從疲勞的角度對叉車機罩的性能有了進一步認識。應(yīng)用類似方法研究機罩其它位置,可以得到完整叉車機罩模型的疲勞分析結(jié)果。針對叉車機罩的疲勞分析,在以下方面還有改進空間:有限元模型的準確性需要提高,導(dǎo)軌與機罩的接觸關(guān)系及安裝螺栓預(yù)緊力的影響有待考慮,應(yīng)力壽命曲線的準確性能夠進一步提高。由于臺架疲勞試驗只進行了兩次,得到的疲勞壽命不具有統(tǒng)計學(xué)意義,獲得的材料應(yīng)力壽命曲線難免存在偏差,而更多的試驗可以減小這一偏差,因此條件允許時建議進行材料疲勞力學(xué)性能試驗。