基于ANSYS Workbench的吊鉤橫梁靜力學(xué)仿真

周軍

(荊州職業(yè)技術(shù)學(xué)院新能源汽車學(xué)院，湖北 荊州 434000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)步，工業(yè)化程度的進(jìn)步必然離不開(kāi)各種技術(shù)裝備的支持，其中，吊鉤便是諸多重型起重機(jī)或者運(yùn)輸行業(yè)中不可或缺的一種機(jī)械零件，在城市建設(shè)、國(guó)防建設(shè)等其他領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用[1]。在吊鉤與橫梁相互搭配處于起重作業(yè)中時(shí)，吊鉤橫梁可能就會(huì)持續(xù)地受到與吊鉤接觸面間交變載荷的作用，長(zhǎng)此以往，吊鉤橫梁本身極其容易產(chǎn)生疲勞損壞，從而達(dá)到疲勞極限。而一旦吊鉤橫梁在工作的過(guò)程中達(dá)到了疲勞壽命，此時(shí)的橫梁便會(huì)瞬間斷裂，并可能造成無(wú)法挽回的后果。所以，結(jié)合當(dāng)下實(shí)際的工程應(yīng)用，去評(píng)估和預(yù)測(cè)吊鉤橫梁在正常工作過(guò)程中的疲勞壽命具有重要的實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)意義[2]。為此，筆者以市面上廣泛應(yīng)用的3.2t橋式起重機(jī)的吊鉤橫梁作為研究對(duì)象，運(yùn)用ANSYS 系統(tǒng)中Workbench平臺(tái)的有限元靜力學(xué)仿真，分析吊鉤橫梁在加有載荷的狀態(tài)下其應(yīng)力和位移分布云圖。由此可以根據(jù)仿真分析得到的數(shù)據(jù)從理論上估算吊鉤橫梁的疲勞壽命，以便能夠確保吊鉤與橫梁配合使用的過(guò)程中的安全性，也能夠根據(jù)等效應(yīng)力云圖觀察其應(yīng)力集中處，為吊鉤橫梁今后的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供有力的參考[3]。

1 模型的建立

圖2 吊鉤橫梁俯視圖

圖3 吊鉤橫梁三維模型

根據(jù)市面上吊鉤橫梁的實(shí)際應(yīng)用情況，筆者在考慮過(guò)吊鉤橫梁的一般結(jié)構(gòu)尺寸后所提供的橫梁結(jié)構(gòu)尺寸如圖1和圖2所示[4]。根據(jù)所提供的橫梁尺寸草圖，通過(guò)三維繪圖軟件SolidWorks構(gòu)建該吊鉤橫梁的三維實(shí)體模型，如圖3所示。將所得到的吊鉤三維模型另存為x_t格式文件[5]供下一步ANSYS Workbench仿真使用。

2 仿真前處理

由于所述吊鉤橫梁所用材料為30#鋼，且對(duì)吊鉤橫梁進(jìn)行的靜力學(xué)仿真只需要材料密度、楊氏模量和泊松比等主要參數(shù)即可完成對(duì)材料性能的定義，所以查閱資料可得表1所示的材料屬性[6]。根據(jù)有限元仿真的實(shí)質(zhì)，將三維實(shí)體細(xì)化為有限細(xì)小的單元進(jìn)行離散化分析，所以此處采用四面體網(wǎng)格的劃分模式，同時(shí)定義全局種子的大小為1mm，劃分完成后經(jīng)過(guò)Workbench平臺(tái)計(jì)算所得到的網(wǎng)格單元數(shù)量為149597，節(jié)點(diǎn)數(shù)為226649，最后系統(tǒng)計(jì)算的最終結(jié)果顯示網(wǎng)格劃分的質(zhì)量良好，如圖4所示[7]。

圖4 吊鉤橫梁網(wǎng)格模型

3 仿真試驗(yàn)及后處理

對(duì)于吊鉤橫梁本身結(jié)構(gòu)而言，整體經(jīng)由吊鉤橫梁兩端的圓柱懸臂通過(guò)滑輪聯(lián)結(jié)進(jìn)行支撐。由于懸臂為圓柱形，故而能夠在滑輪的軸承內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，承載吊鉤拉力的位置則由吊鉤橫梁中間的凹臺(tái)平面提供。將先前構(gòu)建完備的3D實(shí)體吊鉤橫梁模型導(dǎo)入ANSYS Workbench平臺(tái)之后，在定義該模擬試驗(yàn)的邊界條件之前，假定連接懸臂滑輪的鋼絲繩沒(méi)有晃動(dòng)，處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以施加垂直于凹臺(tái)平面的額定載荷，并定義兩端圓柱懸臂處為圓柱約束[8]。最后在求解器中設(shè)定等效應(yīng)力變化和等效位移變化，X、Y和Z軸方向的定向應(yīng)力變化以及定向位移變化，求解得到相應(yīng)的變化云圖如圖5～圖12所示。

圖5 X軸方向的應(yīng)力云圖 圖6 X軸方向的變形云圖

圖7 Y軸方向的應(yīng)力云圖 圖8 Y軸方向的變形云圖

圖9 Z軸方向的應(yīng)力云圖 圖10 Z軸方向的變形云圖

1)應(yīng)力分析結(jié)果。由應(yīng)力云圖可知，在X軸方向，最大應(yīng)力為105.13MPa，方向?yàn)閄軸正方向；在Y軸方向，最大應(yīng)力為44.22MPa，方向?yàn)閅軸正方向；在Z軸方向，最大應(yīng)力為39.287MPa，方向?yàn)閆軸負(fù)方向；最大等效應(yīng)力位于吊鉤橫梁中部與兩端軸承支撐位置的結(jié)合處，大小為89.92MPa。

2)變形分析結(jié)果。由變形(位移)云圖可知，在X軸方向，最大變形為0.0015643mm，方向?yàn)閄軸正方向；在Y軸方向，最大變形為0.00038731mm，方向?yàn)閅軸負(fù)方向；在Z軸方向，最大變形為0.0046768mm，方向?yàn)閆軸負(fù)方向；整體最大變形位于吊鉤橫梁中心吊鉤通過(guò)的孔截面，大小為0.0046952mm[9]。同時(shí)，由于吊鉤橫梁的主要受力為Z軸方向，通過(guò)圖11可以看出，吊鉤橫梁的應(yīng)力集中主要存在于圓柱懸臂與橫梁中心結(jié)構(gòu)相連接的變截面處，而該變截面的上邊緣主要承載所施加載荷的拉應(yīng)力，下邊緣主要承載所施加載荷的壓應(yīng)力。而從圖12的等效變形云圖可以看出，最大位移變形處于吊鉤與吊鉤橫梁所連接中心的環(huán)形凹臺(tái)的平面上，因此，吊鉤橫梁的危險(xiǎn)部位通常出現(xiàn)在該連接面的邊緣部分[10]。

圖11 等效應(yīng)力云圖

圖12 等效變形云圖

4 仿真結(jié)果分析

4.1 強(qiáng)度分析

30#結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度為295MPa。由圖11可得，經(jīng)過(guò)ANSYS Workbench有限元分析軟件得到吊鉤橫梁在3.2t負(fù)載下的最大等效應(yīng)力為89.92MPa，小于屈服強(qiáng)度295MPa，故而滿足對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度要求，所以吊鉤橫梁在此工況下工作安全。

4.2 靜剛度分析

吊鉤橫梁的靜剛度是指吊鉤橫梁在施加靜載荷力下抵抗變形的能力，而線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析方程為：

F=Ky

(1)

其中，K為靜剛度,N/m；y為受力方向的最大變形量,mm；F為受力方向所施加的總載荷,N。

在分析過(guò)程中，式(1)需要滿足以下的假設(shè)條件：y必須是連續(xù)的，并且相應(yīng)的實(shí)體材料需要滿足線彈性和小變形條件，F(xiàn)是靜載荷。最后在計(jì)算吊鉤橫梁靜剛度時(shí)，由于吊鉤橫梁的載荷是沿Z軸負(fù)方向施加的，所以由圖9可知，Z軸方向的最大變形為0.0046768mm，Z方向的載荷取32000N，則通過(guò)式(1)變形可以計(jì)算得到吊鉤在Z方向上的靜剛度為6.8423×109N/m。

4.3 安全系數(shù)

由許用應(yīng)力公式：

(2)

得到安全系數(shù)公式為：

(3)

其中，k為安全系數(shù)。在該吊鉤橫梁承載3.2t載荷的情況下，代入相應(yīng)數(shù)值得到吊鉤橫梁的安全系數(shù)不超過(guò)3.28。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合工程應(yīng)用中較多的橋式起重機(jī)的吊鉤橫梁以及30#結(jié)構(gòu)鋼的材料，運(yùn)用SolidWorks三維畫(huà)圖軟件構(gòu)建其對(duì)應(yīng)三維實(shí)體模型，將三維實(shí)體模型經(jīng)由Workbench平臺(tái)在有限元軟件ANSYS系統(tǒng)中進(jìn)行靜力學(xué)仿真。通過(guò)仿真得到的應(yīng)力變化云圖以及位移變化云圖分析該吊鉤橫梁的危險(xiǎn)截面，為吊鉤橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，通過(guò)該仿真得到主受力方向的最大應(yīng)力以及位移變化的大小，運(yùn)用理論分析計(jì)算得到該吊鉤橫梁的強(qiáng)度要求、抗變形能力以及許用安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果符合該吊鉤的實(shí)際使用安全要求，為理論計(jì)算提供了思路，也為今后吊鉤橫梁的優(yōu)化創(chuàng)新提出了明確的方向。