韋鐵平， 曾壽金， 練國(guó)富

(福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程系, 福建 福州 350118)

基于有限元法的吊鉤結(jié)構(gòu)研究

韋鐵平， 曾壽金， 練國(guó)富

(福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車(chē)工程系, 福建 福州 350118)

鋼索起吊重物的擺動(dòng)角度是影響吊鉤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要因素。通過(guò)有限元軟件ANSYS模擬計(jì)算，揭示吊鉤結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)截面及鋼索擺動(dòng)角度對(duì)吊鉤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響規(guī)律。計(jì)算結(jié)果表明：吊鉤結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)截面分別在A-A、B-B和C-C截面處；隨著擺動(dòng)角度的增大，水平附加分力引起的A-A和C-C截面處的應(yīng)力值變化極小，而B(niǎo)-B截面呈遞增趨勢(shì)，影響顯著。分析結(jié)果為吊鉤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

起重機(jī)； 吊鉤； 擺角； 有限元法

吊鉤是起重機(jī)械中重要構(gòu)件，是直接承受物重載荷的部分。起重機(jī)吊鉤如果發(fā)生斷裂或損壞，將會(huì)造成重大的安全事故。為保證起重機(jī)械安全穩(wěn)定運(yùn)行，起重機(jī)吊鉤的結(jié)構(gòu)及工況參數(shù)的選擇非常重要。Toshihisa等[1]對(duì)船用吊鉤進(jìn)行靜力學(xué)分析及疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)圓弧過(guò)渡角的改變對(duì)吊鉤強(qiáng)度的影響不大，但柄部直徑的大小對(duì)吊鉤強(qiáng)度影響明顯。T. Muromakia等[2]認(rèn)為吊鉤設(shè)計(jì)具有類(lèi)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(yīng)變時(shí)效脆化造成的。K. Easterling[4]指出可通過(guò)預(yù)測(cè)應(yīng)力的集中區(qū)域，優(yōu)化起重機(jī)吊鉤的形狀，延長(zhǎng)其工作壽命并降低故障率。此外，通過(guò)數(shù)值模擬分析，可揭示吊鉤結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，并確定吊鉤的危險(xiǎn)截面[5-9]。上述研究主要針對(duì)吊鉤結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其強(qiáng)度的影響分析，而運(yùn)行工況中吊物鋼索與吊鉤之間的擺角變化同樣對(duì)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(duì)象[10]，對(duì)吊鉤變化擺角的工況模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，從而確定吊鉤結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)截面并探討擺角對(duì)吊鉤強(qiáng)度的影響規(guī)律，為吊鉤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 吊鉤的有限元模型

1.1 吊鉤模型簡(jiǎn)化

選擇的吊鉤為M級(jí)強(qiáng)度、材料為Q345qD，結(jié)構(gòu)如圖1。Q345qD是低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，具備較高的強(qiáng)度、韌性，能夠承受機(jī)車(chē)車(chē)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(jié)構(gòu)尺寸示意圖(單位：mm)Fig.1 The dimension of hook structure(unit:mm)

吊鉤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度為研究重點(diǎn)，直桿螺紋作為約束端，螺紋可簡(jiǎn)化。采用大型前處理軟件ANSA對(duì)復(fù)雜模型建立有限元網(wǎng)格模型，吊鉤結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2。單元類(lèi)型選擇Solid185，節(jié)點(diǎn)數(shù)為20 693個(gè)，單元數(shù)為10 479個(gè)。

圖2 吊鉤結(jié)構(gòu)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(guò)螺紋連接。為研究吊物過(guò)程鋼索擺角對(duì)吊鉤結(jié)構(gòu)的影響，在此處吊鉤的螺紋面上施加全自由度約束不會(huì)造成太大誤差[9]。

1.2.2 加載

1.3 強(qiáng)度理論

第三強(qiáng)度理論認(rèn)為，使材料發(fā)生塑性屈服的主要因素是最大切應(yīng)力τmax，無(wú)論材料處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要構(gòu)件中的最大切應(yīng)力達(dá)到某一極限切應(yīng)力值τu時(shí)，就會(huì)引起材料的塑性屈服?？紤]安全因數(shù)，此理論的強(qiáng)度條件為：

(1)

該理論的缺陷是沒(méi)有考慮中間主應(yīng)力σ2的影響。

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

(2)

其中，σ2為主平面對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力；σ1≥σ2≥σ3。

拉伸試驗(yàn)證明，對(duì)于鋼材、鋁、銅等塑性材料而言，第四強(qiáng)度理論比第三強(qiáng)度理論更符合試驗(yàn)結(jié)果。本文將采用第四強(qiáng)度理論作為吊鉤結(jié)構(gòu)破壞評(píng)判準(zhǔn)則。

2 模擬結(jié)果與分析討論

(a)=-30°

(b)=0°

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

分析結(jié)果選擇第四強(qiáng)度理論計(jì)算Von Misses 應(yīng)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(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。圖中顯示，吊鉤結(jié)構(gòu)的集中應(yīng)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(xiǎn)截面隨著擺角的改變會(huì)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(yīng)力數(shù)值不超過(guò)164 MPa，吊鉤材料滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

圖4 擺角對(duì)各截面處集中應(yīng)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(duì)吊鉤結(jié)構(gòu)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(duì)C-C截面不會(huì)造成影響。因此，該截面處最大應(yīng)力值不會(huì)受到鋼索擺角影響。

3 結(jié)論

1)不同工況下，吊鉤結(jié)構(gòu)可能的危險(xiǎn)截面為A-A、B-B和C-C。吊物鋼索擺動(dòng)，水平方向會(huì)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(huì)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(yīng)力為豎直分力產(chǎn)生的應(yīng)力值與附加彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力值的疊加。擺角為負(fù)值時(shí)，A-A截面應(yīng)力值基本不受影響；擺角為正值時(shí)，A-A截面應(yīng)力值緩慢增加。而對(duì)于B-B截面，隨著擺角的增大，其拉應(yīng)力值單調(diào)遞增且變化極大。

3)從數(shù)值模擬分析結(jié)果看，各種工作狀態(tài)下的吊鉤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仍然充裕。因此，在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，吊鉤結(jié)構(gòu)可做進(jìn)一步優(yōu)化。

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(責(zé)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

福建省屬高校科研專(zhuān)項(xiàng)(JK2014032)；福建省青年自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2017J05071)；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015J01181)

韋鐵平(1984-)，男(壯族)，廣西貴港人，講師，博士，研究方向：強(qiáng)度設(shè)計(jì)、力值計(jì)量。

TB121；O346

A

1672-4348(2017)03-0234-04