懷玉蘭，孟憲舉，李軍，張榮建

(1.河北聯(lián)合大學(xué)研究生學(xué)院，河北 唐山063009;2.河北聯(lián)合大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河北 唐山063009)

0 前言

卸扣在中國是一個(gè)新型行業(yè)，是吊索具的一種，普及程度還很低。未來發(fā)展空間非常巨大。據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)，未來行業(yè)的年均需求增速將達(dá)到20%以上。卸扣的應(yīng)用范圍非常廣泛，適用于各個(gè)工業(yè)制造、大型吊裝和工程建設(shè)領(lǐng)域。特別是小于150噸的圓形截面的D型、弓形卸扣應(yīng)用廣泛，生產(chǎn)歷史較長。由于國內(nèi)對卸扣的材料和結(jié)構(gòu)研究不夠深入，缺乏在安全設(shè)計(jì)系數(shù)下的可靠設(shè)計(jì)方法，目前只能依靠國外的樣本進(jìn)行模仿制造。目前卸扣的設(shè)計(jì)還主要依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，耗費(fèi)大量的人力物力。通過對小型圓截面卸扣運(yùn)用分析軟件ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，模擬計(jì)算卸扣的實(shí)際破斷載荷以及破斷位置，從而為卸扣的開發(fā)生產(chǎn)和安全使用提供理論依據(jù)。

有限元法的應(yīng)用范圍非常廣泛，它不但可以解決工程中的線性問題、非線性問題，而且對于各種介質(zhì)為不同性質(zhì)的固體材料，如各向同性和各向異性材料、粘彈性材料以及流體等力學(xué)問題和相關(guān)的其他問題均能求解。圖1給出了圓截面卸扣結(jié)構(gòu)分析流程圖。

圖1 利用ANSYS對卸扣進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析

運(yùn)用有限元方法對圓截面卸扣進(jìn)行受力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在保證強(qiáng)度、剛度的前提下，提供最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式，使產(chǎn)品具有最好的使用性能和最低的材料消耗與制造成本，以便獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 有限元模型建立

1.1 建立幾何模型

采用美國參數(shù)技術(shù)公司(PTC)開發(fā)的三維造型軟件—Pro/Engineer建立卸扣的本體和銷軸，并采用裝配功能進(jìn)行裝配，卸扣主要部件包括本體和銷軸，考慮到卸扣是對稱結(jié)構(gòu)，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間和資源，對卸扣四分之一進(jìn)行分析。對卸扣受力狀態(tài)進(jìn)行研究可知，本體的約束源于上部的吊件，二者之間是接觸關(guān)系，而銷軸的載荷的來自于銷軸上的加載吊件，二者之間也是接觸關(guān)系，因此，在受力過程中本體的約束部位和銷軸的受力部位是隨時(shí)可能移動(dòng)的，如果計(jì)算中不考慮這兩個(gè)部件，則很難預(yù)測加載過程中本體的約束部位以及銷軸的受力部位，從而不可能準(zhǔn)確施加系統(tǒng)的約束條件和載荷條件，而導(dǎo)致模擬的失敗。因此為了準(zhǔn)確模擬加載過程中卸扣的受力狀態(tài)以及其變化，在PROE模型的基礎(chǔ)上，在ANSYS中進(jìn)行了模型補(bǔ)充。在ANSYS中的卸扣模型上主要添加了上下部兩個(gè)吊件的實(shí)體有限元模型，如圖2所示，由于沒有詳細(xì)的吊件圖紙，吊件模型基于受力狀態(tài)的示意圖進(jìn)行了假定和簡化處理，將上部吊件簡化為直徑0.09 m的柱體，而將下部吊件簡化為寬度0.073 m，內(nèi)徑略大于銷軸外徑的半圓環(huán)體。下部吊件位于銷軸中央部位。

圖2 簡化的卸扣模型

1.2 材料的選擇

ANSYS中提供了各種典型材料的屬性，同時(shí)還支持自定義材料屬性，包括彈性、塑性、彈塑性等。根據(jù)課題和現(xiàn)場的需要，本體與銷軸采用彈塑性材料，材料屬性選擇:

彈性模型:E=2.1e11Pa;

泊松比: μ=0.3;

屈服強(qiáng)度:δs=3.55 ×108Pa;

抗拉極限:δ=6.00 ×108Pa;

密度:7800 kg/m3。

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格模型對計(jì)算精度和穩(wěn)定性有很大的影響，網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響計(jì)算的精度和速度。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增多，計(jì)算精度會有所提高，但相應(yīng)的計(jì)算規(guī)模也會增加，尤其是在進(jìn)行接觸分析時(shí)，接觸單元的存在，使計(jì)算量非常大，尤其是對計(jì)算機(jī)內(nèi)存的要求相當(dāng)高。因此，模型全場采用高精度的六面體solid185單元進(jìn)行劃分，設(shè)置單元格的尺寸大小為0.030m，得到卸扣的有限元模型，如圖3所示。單元數(shù)74268，節(jié)點(diǎn)數(shù)82448。

圖3 卸扣有限元模型

2 有限元模型求解

2.1 載荷施加

上部吊件和本體之間建立面對面接觸關(guān)系;本體與上部吊件建立接觸關(guān)系;下部吊件與銷軸以及本體之間均建立接觸關(guān)系;本體與銷軸之間為緊固關(guān)系;下部吊件施加0.03m的位移載荷。

2.2 求解項(xiàng)設(shè)置

本次的求解為結(jié)構(gòu)非線性分析，因此選擇Structural(ANSYS)為分析類型。

由于結(jié)構(gòu)非線性分析涉及到材料和接觸問題，為了提高收斂性，打開線性搜索、激活時(shí)間積分、打開大變形及設(shè)置載荷子步。

與本體接觸的上部吊件直接固定處理。與銷軸接觸的下部吊件為直接受力部件，由于材料在破壞中處于一種非穩(wěn)定狀態(tài)，為了保證非線性計(jì)算的穩(wěn)定性，計(jì)算采用位移加載方式，在下部吊件的加載處施加向下的位移載荷，通過考察該點(diǎn)在位移過程中的反作用力大小來獲取所施加載荷的大小。

通過分步加載方式追蹤材料的塑性發(fā)展并確定破壞時(shí)刻的載荷步以及相應(yīng)的載荷。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算采用ANSYS軟件的非線性仿真模塊，考慮大位移、大應(yīng)變、塑性和接觸關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。圖4卸扣銷軸的下部吊件加載后，0.03m位移載荷施加完畢后的卸扣等效應(yīng)力分布圖。

圖4 卸扣等效應(yīng)力圖

由圖4可以看出，在加載過程中，關(guān)鍵受力部位的等效應(yīng)力很快達(dá)到極限應(yīng)力，通過對卸扣材料進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)得出表1。

表1 卸扣材料應(yīng)力應(yīng)變

0.03m的位移載荷施加完畢后，卸扣本體和銷軸載荷均有大范圍的等效應(yīng)力達(dá)到了極限應(yīng)力。在等效應(yīng)力達(dá)到極限應(yīng)力的情況下，通過塑性應(yīng)變可以更好地判斷變形發(fā)展和破壞的趨勢，圖5為載荷施加完畢后卸扣的等效塑性應(yīng)變分布圖。由圖5可見，最大等效塑性應(yīng)變出現(xiàn)在銷軸上。

圖5 卸扣等效塑性應(yīng)變

本計(jì)算中材料失效的評判標(biāo)準(zhǔn)采用等效塑性應(yīng)變與極限應(yīng)力塑性應(yīng)變，當(dāng)?shù)刃苄詰?yīng)變超過材料的極限應(yīng)力塑性應(yīng)變時(shí)認(rèn)為材料失去剛度破壞。當(dāng)材料全斷面材料均失去剛度時(shí)認(rèn)為結(jié)構(gòu)整體破壞。通過表1看出卸扣材料的極限應(yīng)力塑形應(yīng)變?yōu)?.01201，通過圖5可以看出，卸扣整體的等效塑形應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料的極限應(yīng)力塑性應(yīng)變，因此判斷卸扣失效，卸扣發(fā)生極限應(yīng)力塑性應(yīng)變的位置在銷軸部位。圖6為銷軸破壞失效照片，由圖6可以看出，卸扣失效往往由銷軸破壞引起。

圖6 銷軸破壞失效

4 總結(jié)

利用ANSYS軟件，對圓截面卸扣進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，建立了卸扣的有限元模型，在適當(dāng)?shù)募僭O(shè)條件下，可以看出卸扣整體發(fā)生破壞失效往往由銷軸破壞引起。本計(jì)算考慮了卸扣構(gòu)件之間的相互作用和實(shí)際受力狀態(tài)，建立了合理的有限元模型，并考慮材料試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，進(jìn)行了加載全過程的非線性仿真，并從塑性應(yīng)變的角度判斷結(jié)構(gòu)是否失效。計(jì)算結(jié)果得到了加載全過程中卸扣的變形、應(yīng)力、應(yīng)變的發(fā)展情況。模擬計(jì)算結(jié)果表明，破壞部位位于銷軸的橫斷面處。本研究對卸扣是否能夠達(dá)到超載試驗(yàn)的要求進(jìn)行了分析，為工程實(shí)踐提供有力的數(shù)據(jù)支持。

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