何朋勃，鐘海全，冀靖宇

西南石油大學國家重點實驗室，四川成都 610500

基于ANSYS的吊鉤有限元分析及優(yōu)化

何朋勃，鐘海全，冀靖宇

西南石油大學國家重點實驗室，四川成都 610500

吊鉤是易損部件，基于ANSYS軟件對機構工作等級M4、鉤號10的吊鉤進行了有限元計算。分析了吊鉤在模擬實驗中受到集中載荷、分布載荷時，其應力及應變大小的分布；另外也分析了吊鉤厚度對吊鉤強度的影響。計算表明，對于一些復雜的二維圖形，將ANSYS與AutoCAD結合起來，通過利用Steve-DXF2Ansys軟件把數(shù)據(jù)轉化為命令流的方法，可以建立更復雜的二維模型，有利于得到更真實、可靠的結果；吊鉤的易損部位在吊鉤承載重物處和內側彎曲處，通過增加重物與吊鉤的接觸面積，可提高吊鉤的承載力；面對復雜的使用情況，如起吊時重物的擺動、少量的超載等因素，可通過在設計時增加吊鉤的厚度來提高吊鉤的強度，從而防止意外的發(fā)生。

吊鉤；有限元分析；優(yōu)化

本文主要利用AutoCAD二維建模，將二維吊鉤模型通過Steve-DXF2Ansys軟件導入ANSYS，分析受力面積和吊鉤厚度的變化對其應力、應變的影響，為提高吊鉤強度、采用合理的厚度、節(jié)約生產成本提供依據(jù)[1-2]。

1 模型建立

1.1 AutoCAD草繪模型和模型參數(shù)

以實際機構工作等級M4、鉤號10的吊鉤為例闡述模型的建立。吊鉤材料的彈性模量E=2.1×105MPa，密度7.85×10-6kg/m3，最大屈服強度235 MPa，泊松比μ=0.3。吊鉤的額定載荷1.6 kN（實際試驗載荷為額定載荷的1.25倍，即2.0 kN）。吊鉤在機械零件中屬于標準件，按照機械設計手冊確定各個部位的尺寸[3]。對于吊鉤上的接頭、螺紋、倒角，由于不影響吊鉤承重部位，作簡化處理。利用AutoCAD畫圖功能，將吊鉤畫出，最終的二維草繪模型見圖1。

1.2 ANSYS建模

將畫好的草繪模型保存為*.dxf格式，利用Steve-DXF2Ansys軟件將草繪模型轉化為ANSYS的 APDL命令流文件 （見圖 2），而后粘貼到ANSYS命令框可直接獲取模型，見圖3。

1.3 網格劃分與載荷約束模型的建立

圖1 草繪模型

圖2 APDL命令流

圖3 ANSY S模型

選擇四面體單元Solid-8node183，采用自適應網格劃分方法，使用1 886個節(jié)點。對吊鉤進行約束和加載荷，假設有一重物通過繩索掛在吊鉤上，約束部位設在吊鉤上接頭處，此部位固定不動；吊鉤在受力過程中不擺動，只受垂直向下的作用力，見圖4。

圖4 網格模型

1.4 結果分析與優(yōu)化

（1）受力分析與優(yōu)化。以10 mm厚度的吊鉤為例，見圖5、6。從圖中可知其最大應力、應變位于受到集中載荷的地方，最大應力為99.448 1 MPa，最大應變?yōu)?.847×10-3；次最大應力、應變位于吊鉤向下彎曲處，由于載荷垂直向下，該截面受到彎曲與剪切二力的合力作用，而吊鉤內側受拉應力，外側受壓應力[4]，其應力為88.398 3 MPa，產生應變?yōu)?.47× 10-3；最大合位移在吊鉤前端，為0.057 mm，見圖7。所以這兩處是吊鉤的危險界面。

圖5 應力云圖

圖6 應變云圖

圖7 合位移云圖

因此，如果增大吊鉤承載重物的受力面積，以10 mm厚度吊鉤為例，設受力面積S=33.7 mm2，見圖8、9那么其最大應力與應變均位于吊鉤內側，最大應力為89.259 6 MPa，最大應變?yōu)?.425× 10-3，內側受到最大應力、應變均減小。在實際生產應用中，通過使用橫截面積較大的繩索或增加繩索與吊鉤的接觸面積，將集中載荷轉化為均布載荷，可提高吊鉤的承載力。

圖8 優(yōu)化受力面積后的應力云圖

圖9 優(yōu)化受力面積后的應變云圖

（2）厚度分析與優(yōu)化。通過改變吊鉤的厚度，分析其所受的最大應力和最大應變情況如圖10、11所示。

圖10 最大應力分析

圖11 最大應變分析

從圖中可以看出，吊鉤的厚度與其最大的應力存在函數(shù)關系。因吊鉤材料的最大屈服強度為235 MPa，因而吊鉤的最小厚度為4.4 mm即可滿足設計要求。另外隨著吊鉤厚度逐漸增大，吊鉤強度增加較緩慢，因此選擇合適的厚度有助于防止在人為操作的過程中超載或大幅擺動對吊鉤產生的不利影響，也節(jié)省材料費用。

2 結論

（1）對于一些復雜的二維圖形，將ANSYS與AutoCAD結合起來，通過利用Steve-DXF2Ansys軟件把數(shù)據(jù)轉化為命令流的方法，可以建立更復雜的二維模型，有利于得到更真實、可靠的結果。

（2）吊鉤是易損部件，因此對其進行有效的分析尤為重要。從以上的分析可以看出，其易損部位在吊鉤承載重物處和內側彎曲處，該結果與實際中吊鉤發(fā)生斷裂的情況一致。因此需要嚴格遵循設計要求，不定期對吊鉤進行檢查，保證安全作業(yè)。

（3）面對復雜的使用情況，如起吊時重物的擺動、少量的超載等因素，通過增加重物與吊鉤的接觸面積，可提高吊鉤的承載力?；蛟谠O計時增加吊鉤的厚度，從而防止意外的發(fā)生。

[1]成大先.機械手冊：第二卷 [M].3版.北京：化學工業(yè)出版社，1997：85-89.

[2]吳鴻慶，任俠.結構有限元分析[J].冶金設備，2008（3）：35-37.

[3]張質文，王金諾，程文明，等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

[4]李鋒，權延慧.基于Pro/E的吊鉤有限元分析[J].山西電子技術，2010（6）：14-15.

Finite Element Analysis and Optimization ofHook Based on ANSY S

HE Pengbo，ZHONG Haiquan，JIJingyu
Key State Laboratory of Northwest Petroleum University，Chengdu 610500，China

Hook is an easily damaged part.The hook of work level M4 and No.10 is calculated based on the finite element analysis software ANSYS.The distributions of stress and strain under concentrated load and distributed load are analyzed when the hook is in the simulation experiment.In addition，the influence of hook thickness on hook strength is also analyzed.The calculation results show that for some complex 2D graphics，if applying ANSYS and AutoCAD together and converting data into command stream by Steve-DXF2Ansys software，more complex 2D model can be established，which is conducive to get more realand reliable results.The easily damaged place of the hook is located in loading place and inside bending place，so increasing the contact area between load and hook can increase hook bearing force.In some complicated application situations such as load swaying in hoisting course and slightly overload，the hook strength should be increased by thickening hook in design to prevent accident.

hook；finite element analysis；optimization

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.004

何朋勃（1992-），男，陜西咸陽人，2015級西南石油大學油氣田開發(fā)專業(yè)研究生，從事油氣開采理論與工藝研究。

2016-07-29

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