基于有限元法的吊鉤結構研究

韋鐵平， 曾壽金， 練國富

(福建工程學院 機械與汽車工程系, 福建 福州 350118)

基于有限元法的吊鉤結構研究

韋鐵平， 曾壽金， 練國富

(福建工程學院 機械與汽車工程系, 福建 福州 350118)

鋼索起吊重物的擺動角度是影響吊鉤結構強度的重要因素。通過有限元軟件ANSYS模擬計算，揭示吊鉤結構的危險截面及鋼索擺動角度對吊鉤結構強度的影響規(guī)律。計算結果表明：吊鉤結構的危險截面分別在A-A、B-B和C-C截面處；隨著擺動角度的增大，水平附加分力引起的A-A和C-C截面處的應力值變化極小，而B-B截面呈遞增趨勢，影響顯著。分析結果為吊鉤結構的強度設計提供理論依據(jù)。

起重機； 吊鉤； 擺角； 有限元法

吊鉤是起重機械中重要構件，是直接承受物重載荷的部分。起重機吊鉤如果發(fā)生斷裂或損壞，將會造成重大的安全事故。為保證起重機械安全穩(wěn)定運行，起重機吊鉤的結構及工況參數(shù)的選擇非常重要。Toshihisa等[1]對船用吊鉤進行靜力學分析及疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)圓弧過渡角的改變對吊鉤強度的影響不大，但柄部直徑的大小對吊鉤強度影響明顯。T. Muromakia等[2]認為吊鉤設計具有類似典型的錐形為最佳形狀。Y. Torres等[3]發(fā)現(xiàn)吊鉤的斷裂是由應變時效脆化造成的。K. Easterling[4]指出可通過預測應力的集中區(qū)域，優(yōu)化起重機吊鉤的形狀，延長其工作壽命并降低故障率。此外，通過數(shù)值模擬分析，可揭示吊鉤結構應力、應變分布規(guī)律，并確定吊鉤的危險截面[5-9]。上述研究主要針對吊鉤結構參數(shù)對其強度的影響分析，而運行工況中吊物鋼索與吊鉤之間的擺角變化同樣對吊鉤安全工況造成影響。

本研究以量程為32 t的起重吊鉤作為研究對象[10]，對吊鉤變化擺角的工況模型進行數(shù)值模擬計算，從而確定吊鉤結構的危險截面并探討擺角對吊鉤強度的影響規(guī)律，為吊鉤結構的強度設計提供理論依據(jù)。

1 吊鉤的有限元模型

1.1 吊鉤模型簡化

選擇的吊鉤為M級強度、材料為Q345qD，結構如圖1。Q345qD是低合金高強度結構鋼，具備較高的強度、韌性，能夠承受機車車輛的載荷以及沖擊，有較好的抗疲勞性、低溫韌性和耐大氣的腐蝕性。

(a)整體示意圖 (b)A-A截面 (c)C-C截面 圖1 吊鉤結構尺寸示意圖(單位：mm)Fig.1 The dimension of hook structure(unit:mm)

吊鉤結構的強度為研究重點，直桿螺紋作為約束端，螺紋可簡化。采用大型前處理軟件ANSA對復雜模型建立有限元網(wǎng)格模型，吊鉤結構的有限元模型如圖2。單元類型選擇Solid185，節(jié)點數(shù)為20 693個，單元數(shù)為10 479個。

圖2 吊鉤結構有限元模型Fig.2 The finite element model of hook structure

1.2 邊界條件及加載

1.2.1 邊界條件

吊鉤和吊鉤梁通過螺紋連接。為研究吊物過程鋼索擺角對吊鉤結構的影響，在此處吊鉤的螺紋面上施加全自由度約束不會造成太大誤差[9]。

1.2.2 加載

1.3 強度理論

第三強度理論認為，使材料發(fā)生塑性屈服的主要因素是最大切應力τmax，無論材料處于何種應力狀態(tài)，只要構件中的最大切應力達到某一極限切應力值τu時，就會引起材料的塑性屈服?？紤]安全因數(shù)，此理論的強度條件為：

(1)

該理論的缺陷是沒有考慮中間主應力σ2的影響。

第四強度理論認為，使材料發(fā)生塑性屈服主要取決于畸變能密度。即無論材料處于何種應力狀態(tài)，只要其畸變能密度到達某一極限值時，就會引起材料的塑性屈服。此理論的強度條件為：

(2)

其中，σ2為主平面對應的主應力；σ1≥σ2≥σ3。

拉伸試驗證明，對于鋼材、鋁、銅等塑性材料而言，第四強度理論比第三強度理論更符合試驗結果。本文將采用第四強度理論作為吊鉤結構破壞評判準則。

2 模擬結果與分析討論

(a)=-30°

(b)=0°

(c)=30°圖3 不同擺角位置下吊鉤結構的應力云圖Fig.3 The stress cloud diagram of hook structure under different swinging angles

分析結果選擇第四強度理論計算Von Misses 應力顯示云圖分布。圖3(a)、(b)和(c)分別為鋼索擺角為-30°、0°和30°吊鉤結構的應力云圖。圖中顯示，吊鉤結構的集中應力發(fā)生在A-A截面、B-B直桿螺紋和C-C截面處，吊鉤危險截面隨著擺角的改變會發(fā)生變化。由圖3(c)可知，吊鉤在-30°～30°之間的載荷作用下，最大Von Misses應力數(shù)值不超過164 MPa，吊鉤材料滿足強度要求。

圖4 擺角對各截面處集中應力值的影響規(guī)律Fig.4 The effect of the concentrative stress on the sections of hook structure

(a)A-A截面附加載荷 (b)吊鉤直桿軸線E的變形圖5 外載對吊鉤結構的影響分析Fig.5 The influence of lifting weight on the sections of hook structure

1)圖4顯示，C-C截面處僅受豎直方向吊物G作用，鋼索擺角引起的水平分力F對C-C截面不會造成影響。因此，該截面處最大應力值不會受到鋼索擺角影響。

3 結論

1)不同工況下，吊鉤結構可能的危險截面為A-A、B-B和C-C。吊物鋼索擺動，水平方向會產(chǎn)生附加分力。擺角越大，水平附加分力越大，而豎直分力恒為吊物重量。

2)水平分力會在B-B和A-A截面產(chǎn)生附加彎矩，A-A和B-B截面處的應力為豎直分力產(chǎn)生的應力值與附加彎矩產(chǎn)生的應力值的疊加。擺角為負值時，A-A截面應力值基本不受影響；擺角為正值時，A-A截面應力值緩慢增加。而對于B-B截面，隨著擺角的增大，其拉應力值單調(diào)遞增且變化極大。

3)從數(shù)值模擬分析結果看，各種工作狀態(tài)下的吊鉤結構強度仍然充裕。因此，在滿足強度要求的基礎上，吊鉤結構可做進一步優(yōu)化。

[1] Nishioka T, Lee H, Won Y, et al. Strength evaluation of marine crane hooks by static-load and fatigue experiments[J]. Ocean Engineering， 2010,45(Special):1027-1032.

[2] Muromaki T, Hanahara K, Nishimura T, et al. Multi-objective shape design of crane-hook taking account of practical requirement[C]//Proceedings of the 2nd International Symposium on Computational Mechanics and the 12th International Conference on the Enhancement and Promotion of Computational Methods in Engineering and Science.Hong Kong-Macau China. Nov.30- Dec.3,2009. Washington D C:AIP Publishing,2010,1233(1):632-637.

[3] Torres Y, Gallardo J M, Dominguez J. Brittle fracture of a crane hook[J]. Engineering Failure Analysis,2010,17(1):38-47.

[4] Shaban M, Mohamed M I, Abuelezz A E, et al. Determination of stress distribution in crane hook by caustic[J]. Stress,2013,2(5):369-370.

[5] 高海峰,白廣忱,費成巍.起重機吊鉤等效應力非線性可靠性靈敏度分析[J].機械設計與制造,2014(6):167-170.

[6] 閆興民,張亮有.基于SolidWorks起重機吊鉤的有限元分析[J].機械工程與自動化, 2016(1):44-45.

[7] Easterling K. Introduction to the Physical Metallurgy of Welding[M]. Berlin:Elsevier,2013.

[8] 盧澤暉,胡吉全.基于ANSYS的起重機吊鉤有限元分析[J].裝備制造技術,2011(2):44-46.

[9] 李水水,李向東,范元勛,等.基于ANSYS的起重機吊鉤優(yōu)化設計[J].機械設計與制造,2012(4):37-38.

(責任編輯： 陳雯)

Study of hook structure based on finite element method

Wei Tieping, Zeng Shoujin, Lian Guofu

(College of Mechanical and Automotive Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

The swinging angle of a steel cable is a key factor affecting the strength of hook structure. The brittle sections of the hook structure and the law of the swinging angle affecting the strength of the hook structure were revealed with ANSYS software. The results indicate that the sections of A-A, B-B and C-C are the brittle sections. The tensile stress of the sections of A-A and C-C changes very little, but rises markedly in the section of B-B with the increase of the swing angle. The results can serve as a theoretical basis for the strength design of crane hook structure.

crane; hook; swinging angle; finite element method

10.3969/j.issn.1672-4348.2017.03.007

2016-12-01;

2016-03-20

福建省屬高?？蒲袑ｍ?JK2014032)；福建省青年自然科學基金項目(2017J05071)；福建省自然科學基金項目(2015J01181)

韋鐵平(1984-)，男(壯族)，廣西貴港人，講師，博士，研究方向：強度設計、力值計量。

TB121；O346

A

1672-4348(2017)03-0234-04