基于ANSYS的吊鉤可靠性分析*

張康智，陳萬強，李祥陽，王 芳

(西安航空學院軍工裝備研究所，陜西西安 710077)

基于ANSYS的吊鉤可靠性分析*

張康智，陳萬強，李祥陽，王 芳

(西安航空學院軍工裝備研究所，陜西西安 710077)

采用大型通用有限元分析軟件ANSYS對吊鉤的應力分布規(guī)律進行分析和計算，得出該構件的位移和應力分布圖，從理論上對吊鉤的危險截面進行了分析研究，為進一步改進吊鉤的受力狀況和結構設計提供了理論依據(jù)。

吊鉤;有限元;ANSYS

1 前言

吊鉤是起重作業(yè)中應用最多的取物裝置，它承擔著吊運的全部載荷，是起重機安全生產的三大構件(制動器、鋼絲繩、吊鉤)之一。吊鉤一旦損壞斷裂，極易造成重大安全事故，它對于起吊貨物操作的安全有著非常重要的意義;因此，在設計時應綜合考慮各種因素。按照一般吊鉤強度設計方法進行設計的吊鉤，可能會導致較大的誤差，且速度較慢，隨著計算機技術的發(fā)展，特別是有限元分析及優(yōu)化技術，能夠改進零件的結構設計，使其在滿足強度和剛度的情況下具有最合理的方案，復雜的工程問題可采用離散化的數(shù)值計算方法，并借助計算機輔助設計得到滿足工程要求的數(shù)值解。

筆者利用有限元分析軟件ANSYS對某一吊鉤進行應力分析，以便能進一步指導吊鉤的設計。ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，它能與Pro/E等多數(shù)CAD軟件接口，結構分析是其最重要的一個應用領域，在機械、汽車、土木工程等諸多領域都廣泛地使用，可以極大地提高工作效率［1］。

2 模型的建立

利用ANSYS軟件對吊鉤進行應力分析的流程圖如圖1所示。

(1)材料模型的建立

對實際零件在分析時應該簡化為平面問題，任何一個物體都是空間物體，它所受的載荷一般都是空間的，機械零件的形狀和載荷情況具有一定的特點，經過適當?shù)睾喕统橄筇幚砭涂梢詺w結為平面問題，這種問題的特點即將一切現(xiàn)象都看做是在一個平面內發(fā)生的。平面問題的模型可以大大簡化而不失真。

圖1 應力分析流程圖

吊鉤材料為DG20 Mn，泊松比μ=0.25，彈性模量E=2.06 E11 Pa，強度等級為P級，屈服極限σs= 315 MPa。該吊鉤的鉤號是1#，額定起重量為2.5 t，幾何尺寸按國標(GB/T10051.1－1988)所給，d1= 30，d2=24;在Pro/E中建立的實體模型導入后如圖2所示，倒角和螺紋等特征已簡化。

(2)載荷模型的建立

此問題是一種高度的非線性行為需要較大的計算資源，理解問題的特性和建立合理的模型等很重要。在吊鉤的受力部位假定一重物對吊鉤進行約束和加載約束部位設定在吊鉤上部與其他零件聯(lián)接的螺紋處，假定此部位固定不動，以便于求解吊鉤的復雜曲面受力情況因為靜力分析載荷即為物體重力。

(3)建立有限元模型

單元的劃分彎鉤部分采用ANSYS的自適應網格劃分方法，鉤桿部分采用映射的網格劃分方法，使用8節(jié)點六面體單元，共劃分出917個節(jié)點，3 420個單元。劃分單元后的模型如圖3所示，計算中假定材料為線彈性，即不發(fā)生屈服。吊鉤在起吊貨物時，所引起的一點偏斜可通過吊鉤桿自身旋轉調正，分析時可不考慮所受扭矩的影響，只考慮所受的垂直拉力。因只考慮靜拉力的影響，分析時所施加的載荷應為其額定載荷的2倍。

圖2 吊鉤的實體簡化模型

圖3 吊鉤的有限元模型

3 計算結果［2］

通過ANSYS的靜載荷計算，得出吊鉤的合位移和應力分布圖，分別如圖4、5所示，從整體看釣鉤工作時的受力情況，是在垂直方向受所垂直向下的拉應力作用，由于吊鉤結構所致在吊鉤下，面彎曲部分形成彎矩從而產生較大的彎曲應。因此，吊鉤整體結構上特別是下面彎曲工作部分實際上是受這兩種應力的和，由于合應力在吊鉤內側。表現(xiàn)為拉應力，外側表現(xiàn)為壓應力，所以危險截面總是出現(xiàn)在內側彎曲應力較大處。

吊鉤工作局部，考慮接觸應力的影響，接觸載荷作用力使接觸處的應力加大，出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象但與材料內部的其他應力不同，主要作用在外表面，接觸處的應力增加導致吊鉤局部產生一定的塑性變形，接觸應力向著均衡分布的趨勢變化，應力集中得到緩解。而在非接觸處，根據(jù)圣維南原理，應力值變化不大，即對吊鉤非接觸處影響很小在正常情況下，在沒有較大的相對速度或者大載荷時，局部的接觸應力即使超過了材料的強度極限，也會由于產生塑性變形而使應力集中得到分散和緩解使其不易產生嚴重破壞性的后果。

通過ANSYS的靜載荷計算結果表明該吊鉤的σmax=72.96 MPa，因σs=126 MPa，按照不發(fā)生塑性變形的強度條件σmax≤σs，該吊鉤的機械強度滿足要求。

圖4 吊鉤的合位移

圖5 吊鉤的的Von Mises應力分布圖

4 分析與結論［3］

(1)計算結果表明吊鉤在加載后，最大合位移出現(xiàn)在如圖4所示的彎頭部分，其值為Umax=0.136 3 mm;沒有任何明顯的變形情況;最大等效應力出現(xiàn)在如圖2所示吊鉤的Ⅰ－Ⅰ截面附近，與文獻［2］所持觀點一致，即認為該截面是吊鉤最易發(fā)生疲勞變形或斷裂的危險截面，其值大小為σmax=72.96 MPa。表明吊鉤能可靠地支持住2倍的檢驗載荷而不脫落。

(2)通過以上的計算和分析，可以基本掌握吊鉤的受力情況，如對應力最大處的結構進行適當?shù)母倪M，將會大大提高該吊鉤的額定起重量，同時還可以降低生產成本。使用中，在定期對其進行探傷時，應特別注意其危險截面處的變化。

(3)對于新產品的開發(fā)和舊產品的改造方面，ANSYS軟件能夠提供強度、應力分布狀況的優(yōu)化，如再考慮到周圍環(huán)境溫度和吊鉤自重的影響，分析結果將會更加準確，為進一步改進吊鉤的結構提供必要的理論依據(jù)。

［1］ 趙海峰，蔣 迪.工程結構實例分析［M］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［2］ 閆雪琴，李 瑩，薛紅旗.有限元優(yōu)化技術在起重機吊臂結構設計中的應用［J］.機械研究與應用，2006(12):54－55.

［3］ 謝云舫，黃亞宇.基于ANSYS的重型貨架的有限元分析［J］.機械研究與應用，2005(12):82－83.

Reliability Analysis of the Lifting－Hook Based on ANSYS

ZHANG Kang－zhi，CHEN Wan－qiang，LI Xiang－yang，WANG Fang
(Military Equipment Research Institute，Xi'an Aerotechnical College，Xi'an Shanχi 710077，China)

The stress distributing rule of the lifting－h(huán)ook by using ANSYS software is calculated and analysed，and the figure that the distribution of the displacements and stresses is

，and the usual dangerous section of it is investigated in theory，the essential theoretic basis for improving its suffering force situation and structure are provided.

lifting－h(huán)ook;finite element;ANSYS

TH12

A

1007－4414(2013)05－0037－02

2013－08－02

張康智(1978－)，男，陜西楊凌人，講師，主要從事機電液體一體化技術的研究工作。