李繼興

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092）

基于NX Nastran的直柄吊鉤有限元分析計(jì)算

李繼興

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092）

吊鉤是起重機(jī)的重要承重部件，它的安全性對(duì)整個(gè)起重機(jī)的安全性能有重要的影響。文中以大型綜合軟件NX 8.5為工具，對(duì)某型號(hào)吊鉤進(jìn)行三維建模和有限元靜力學(xué)分析，得出吊鉤的應(yīng)力分布和位移分布云圖，根據(jù)分析結(jié)果，找出其最大應(yīng)力位置，為吊鉤設(shè)計(jì)校核強(qiáng)度提供理論依據(jù)。用以核對(duì)吊鉤設(shè)計(jì)的可靠性，同時(shí)對(duì)吊鉤結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部?jī)?yōu)化給出了指導(dǎo)意見。

吊鉤；彎曲截面；應(yīng)力分析；NX Nastran

0 引言

起重機(jī)是指在一定范圍內(nèi)垂直提升和水平搬運(yùn)重物的多動(dòng)作起重機(jī)械。又稱吊車。屬于物料搬運(yùn)機(jī)械。起重機(jī)的工作特點(diǎn)是做間歇性運(yùn)動(dòng)，即在一個(gè)工作循環(huán)中取料、運(yùn)移、卸載等動(dòng)作的相應(yīng)機(jī)構(gòu)是交替工作的，起重機(jī)在市場(chǎng)上的發(fā)展和使用越來越廣泛。直柄吊鉤是起重機(jī)中的重要承載部件，它首先與重物間接接觸，幾乎承載了全部的負(fù)載。吊鉤的安全性至關(guān)重要，如果吊鉤出現(xiàn)，那么整個(gè)起重機(jī)運(yùn)行的安全性就會(huì)受到重大影響。因此，對(duì)起重機(jī)吊鉤進(jìn)行有限元分析計(jì)算十分必要。

吊鉤按形狀分為單鉤和雙鉤；按制造方法分為鍛造吊鉤和疊片式吊鉤。單鉤制造簡(jiǎn)單、使用方便，但受力情況不好，大多用在起重量為80噸以下的工作場(chǎng)合；起重量大時(shí)常采用受力對(duì)稱的雙鉤。吊鉤材料可選用20優(yōu)質(zhì)碳素鋼或吊鉤專用材料DG20Mn、DG34CrMo等鍛造制成，嚴(yán)禁使用鑄造吊鉤。

吊鉤的設(shè)計(jì)已經(jīng)形成一種標(biāo)準(zhǔn)，一般情況下，設(shè)計(jì)師根據(jù)吊鉤的起升重量，機(jī)構(gòu)工作級(jí)別，選用相應(yīng)的鉤號(hào)大小和對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度等級(jí)的材料。可以根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10051進(jìn)行選擇。也有一些大型起重機(jī)公司設(shè)計(jì)自己的吊鉤型號(hào)。

吊鉤的設(shè)計(jì)計(jì)算的傳統(tǒng)方法以手工計(jì)算，結(jié)合手冊(cè)相應(yīng)的界面計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。其中的依截面形狀定的曲梁系數(shù)KB需要運(yùn)用積分計(jì)算，比較麻煩。近年來，隨著有限元法、有限差分法等各種數(shù)值方法的迅速發(fā)展，CAE技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。有限元法在起重機(jī)吊鉤設(shè)計(jì)計(jì)算中也發(fā)揮了很大作用。文中以某型5號(hào)直柄吊鉤為例，利用NX8.5對(duì)其進(jìn)行實(shí)體建模，經(jīng)過網(wǎng)格劃分施加約束和載荷后進(jìn)行有限元分析計(jì)算，快速而準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了對(duì)直柄吊鉤強(qiáng)度的校核，為吊鉤設(shè)計(jì)的安全可靠性提供了理論依據(jù)。

1 直柄吊鉤的有限元模型建立

1.1直柄吊鉤的實(shí)體模型

本文所述Hook5為5號(hào)吊鉤，因其所承載要求與標(biāo)準(zhǔn)的RSN5吊鉤一致，同樣的工作級(jí)別和強(qiáng)度等級(jí)下要求承載重量一樣。所以其內(nèi)孔直徑和開口處尺寸與RSN5相同，即內(nèi)孔直徑a1=80mm，開口尺寸a2= 63mm。因其安裝方式不是采用直柄部分開螺紋安裝，所以直柄部分尺寸比標(biāo)準(zhǔn)稍微減小，即尺寸L1=300mm。其余尺寸和外形做了較大改變，其中吊鉤下方采用扁平設(shè)計(jì)，而不是原先標(biāo)準(zhǔn)吊鉤的圓弧設(shè)計(jì)，這樣可以使得吊鉤能夠自然站立，有利于堆放，安裝和維護(hù)。在NX 8.5中，根據(jù)圖紙建立了如圖1的直柄吊鉤實(shí)體模型。

圖1　直柄吊鉤實(shí)體模型圖

1.2直柄吊鉤模型的網(wǎng)格劃分

在NX8.5中將建立的三維模型打開，之后點(diǎn)擊Advanced Simulation進(jìn)入有限元分析環(huán)境，通過創(chuàng)建New and Simulation，開始建立有限元模型，從材料庫(kù)中選擇模型材料steel，之后進(jìn)行Physical Property和Mesh Collector處理，最后進(jìn)行3D四面體網(wǎng)格劃分，采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方法對(duì)吊鉤劃分網(wǎng)格，其中網(wǎng)格大小根據(jù)吊鉤尺寸選擇8mm，圖2為直柄吊鉤的網(wǎng)格劃分模型圖。

圖2　直柄吊鉤網(wǎng)格劃分模型圖

2 有限元分析計(jì)算

（1）施加約束和載荷。吊鉤的材料選用34Cr2Ni2Mo，材料的彈性模量E=206GPa，密度ρ=7.83×103kg/m3，泊松比μ=0.3，型號(hào)為5號(hào)鉤，強(qiáng)度等級(jí)為V級(jí)，上屈服強(qiáng)度ReH= 620MPa，機(jī)構(gòu)工作級(jí)別M5，額定負(fù)載為16000kg。在仿真分析中假定吊鉤上端是固定不動(dòng)的，即受全約束。假定載荷作用于一根鉛垂的鋼絲繩上，作用線通過吊鉤截面形心連線的曲率中心，在模型中采用軸承力施加載荷，力的作用夾角選擇60°，載荷大小為156800N。

（2）通過對(duì)施加約束和載荷的前處理的網(wǎng)格模型進(jìn)行運(yùn)算，得出直柄吊鉤的應(yīng)力分布云圖和位移云圖。分別如圖3，圖4所示。

圖3　直柄吊鉤的等效應(yīng)力分布云圖

圖4　直柄吊鉤的整體變形云圖

由圖3可知，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在吊鉤的主彎曲截面的內(nèi)側(cè)，此處收到拉應(yīng)力，最大應(yīng)力值在單元10137，節(jié)點(diǎn)43540處，應(yīng)力值為370.02MPa。根據(jù)GB/T10051中“圖單鉤應(yīng)力值σc和σD”所查，鉤號(hào)為5號(hào)的吊鉤，在機(jī)構(gòu)工作級(jí)別為M5，材料強(qiáng)度等級(jí)為V級(jí)，所對(duì)應(yīng)的σc約為366MPa，此吊鉤的有限元分析應(yīng)力最大值與標(biāo)準(zhǔn)吊鉤的應(yīng)力最大值基本一致，因?yàn)榈蹉^的上屈服強(qiáng)度為ReH=620MPa，其安全系數(shù)為1.68。滿足設(shè)計(jì)使用要求。由圖4可知，最大位移發(fā)生在吊鉤前端下部位，它們是吊鉤整體拉伸和下部結(jié)構(gòu)彎曲變形的綜合結(jié)果，滿載情況下，向下最大位移量為1.581mm。

3 結(jié)論

（1）運(yùn)用NX Nastran對(duì)某型號(hào)直柄吊鉤進(jìn)行有限元靜力分析，能夠直觀、準(zhǔn)確、快速的得到吊鉤任意位置的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，并發(fā)現(xiàn)模型中存在的問題，計(jì)算結(jié)果全面可靠，為直柄吊鉤的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，說明該型號(hào)吊鉤在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上是能夠滿足強(qiáng)度要求的，該有限元分析滿足了快速校核的需要。

（2）在滿足直柄吊鉤強(qiáng)度要求的前提下，根據(jù)該型號(hào)吊鉤的分析計(jì)算結(jié)果，可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些優(yōu)化改進(jìn)。吊鉤下方兩個(gè)角的地方應(yīng)力值較小，可以進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，降低一些材料既不影響吊鉤的安全性能，又能降低吊鉤重量，降低成本。

［1］成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997．

［2］GB/T 3811-2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］毛炳秋.UG NX 7.0基礎(chǔ)教程［M］.電子工業(yè)出版社，2011.

［4］麓山文化.UG NX7從入門到精通［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［5］起重機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)匯編（下），2010.

［6］GB10051-88起重吊鉤直柄吊鉤技術(shù)條件［S］.北京：機(jī)械電子工業(yè)部，1989.

The Finite Element Analysis and Calculation of Shank Hook That Based on NX Nastran

LI Ji-Xing
（Tongji University，School of Mechanical Engineering，Shanghai 200092，China）

Hook is one of the important bearing parts of crane，its security has a significant impact on the safety performance of the entire crane.In this Paper，the use of large integrated software NX 8.5 as a tool，made 3D modeling and finite element statics analysis to some type of hook.Draw stress distribution and displacement distribution cloud for this hook，According to the analysis results，to find the maximum stress position，provide a theoretical basis for the design check hook strength.To check the reliability of the hook design，while gives local optimization guidance for the the hook structure.

hook；bending section；stress analysis；NX Nastran

TP27

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.022

1002-6673（2015）02-060-02

2015-03-16

李繼興（1981-），男，上海人，碩士研究生，中級(jí)工程師。研究方向：起重機(jī)電動(dòng)葫蘆。