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        基于SolidWorks的吊鉤有限元分析

        2018-01-17 05:38:45
        山西冶金 2017年6期
        關鍵詞:彎曲應力吊鉤重物

        李 鵬

        (山西工程職業(yè)技術學院 基礎部, 太原 030009)

        吊鉤是起重機必備的部件之一,發(fā)揮著連接重物與起重機的連接作用。由于其頻繁遭受各種載荷,一旦發(fā)生損壞極易造成重大人員財產(chǎn)事故,因此對于吊鉤的安全性應引起足夠的重視。傳統(tǒng)理論計算將吊鉤簡化為平面模型,應用彈性曲梁理論,對工作應力進行計算。此方法計算不能反映吊鉤真實情況。應用現(xiàn)代有限元分析法,通過將模型劃分為若干個單元即將模型離散化,利用簡單問題代替復雜問題進行求解,對吊鉤進行強度分析,觀察吊鉤應力分布情況,從而找出吊鉤的危險截面[1]。

        SolidWorks是一個簡單、易學、易用的三維參數(shù)化設計軟件,廣泛應用于機械領域。SolidWorks不光圖形繪制功能強大,其內(nèi)置的Simulation插件更可以對繪制的三維模型進行有限元分析,相比于ANSYS進行有限元分析,SolidWorks建模更為方便迅速,并省去了模型導入過程。

        1 理論計算

        吊鉤根據(jù)制造方法可分為鍛造吊鉤和片式吊鉤。本文主要對鍛造單鉤,鉤號為08的MMD型,額定起重量為2 t,強度等級為T級進行分析。此吊鉤斷面形狀類似于T字形,由于這樣結(jié)構可以充分利用材料性能,且自重相對于梯形截面吊鉤更輕,即使生產(chǎn)工藝稍復雜仍被廣泛應用[2]。

        根據(jù)吊鉤工作狀態(tài)可知,在吊鉤上A-A是危險截面(見圖1),最大應力在截面的內(nèi)側(cè),應力主要為拉伸應力和彎曲應力之和,而外側(cè)為拉伸應力與彎曲應力之差,應力相對內(nèi)側(cè)較小。故理論計算出A-A截面內(nèi)側(cè)應力,判斷是否超出材料屈服應力,并與Simulation求出最大應力做對比。吊鉤截面圖見圖2。

        圖1 吊鉤模型

        圖2 吊鉤截面

        式中:σ1為 A-A 截面內(nèi)側(cè)的應力,MPa;σ2為 A-A截面外側(cè)的應力,MPa;Q為吊鉤牽引重物的重力,N;F為截面的面積,mm2;KB為截面的曲梁系數(shù),F(xiàn)(x為計算 KB值自變量);R0為截面重心軸線至吊鉤中心線距離,mm;e1為截面重心至吊鉤內(nèi)緣距離,mm;e2為截面重心至吊鉤外緣距離,mm[3]。

        本文研究的吊鉤額定起重量為2 t,換算為重力可得Q=19 600 N。由于吊鉤截面有倒角,且兩側(cè)有切除部分,個別文獻對于其面積按梯形面積公式計算顯然存在較大誤差。對于截面面積計算完全可以利用SolidWorks軟件中測量插件對截面面積進行查看,結(jié)果準確且方便,本截面F=938.70 mm2。對于R0、e1、e2值的確定關鍵在于找到截面的重心,使用梯形重心公式求其重心存在誤差,可利用SolidWorks將截面拉伸為實體,利用軟件內(nèi)置質(zhì)量評估功能查看其重心,求得:R0=42.63 mm,e1=18.63,e2=25.76。通過計算KB=0.079。

        即吊鉤危險截面處外側(cè)最大應力為410.33 MPa,內(nèi)側(cè)應力為99.56 MPa。

        2 吊鉤模型的建立

        根據(jù)查詢吊鉤標準,按照國標推薦尺寸繪制吊鉤三維模型。首先建立彎鉤模型,在其中的幾個位置繪制截面草圖,采用放樣命令,依次選中繪制的截面,并繪制出外形輪廓作為引導線,注意兩條引導線應設立在兩個草圖中。吊鉤鉤頸部分采用拉伸和拉伸切除以及倒角命令生產(chǎn),螺紋處采用裝飾螺紋線表示,以簡化模型[4]。吊鉤模型的建立見圖3.

        3 有限元分析過程

        3.1 定義材料屬性

        鉤號為08的吊鉤采用35CrMo材料可以使其達到較高的強度等級,在SolidWorks中定義材料屬性:彈性模量為2.13×105MPa,泊松比為0.286,質(zhì)量密度為7 870 kg/m3,屈服強度為835 MPa。

        3.2 添加約束與載荷

        吊鉤通過鉤頸的螺紋與上方的零件連接,分析過程將此部分固定,以方便求解吊鉤復雜模型。吊鉤吊起重物,受力應垂直向下,吊鉤通過鋼絲繩與重物連接,故作用點應在吊鉤口中心下方位置。通過應用分割線命令將吊鉤中心垂直下方正負45°范圍內(nèi)全面分割,在此面內(nèi)施加19 600 N垂直向下應力。

        3.3 劃分網(wǎng)格

        在軟件中選擇高品質(zhì)網(wǎng)格,單元大小為2.982 mm,公差為0.149 104 mm,共有70 528節(jié)點,單元數(shù)為47 192。吊鉤網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖4[5]。

        3.4 計算結(jié)果分析

        圖3 建立吊鉤模型

        圖4 吊鉤網(wǎng)格劃分結(jié)果

        點擊運行按鈕,可得到SolidWorks模擬算例計算結(jié)果。應力分布情況如圖5,吊鉤工作狀態(tài)下在豎直方向收到向下的重物拉力,由于吊鉤形狀的特性,吊鉤彎曲部分還受到彎曲應力,從圖5來看,印證了這一觀點,吊鉤的危險截面位于吊鉤中心內(nèi)側(cè),其所受應力為拉應力與彎曲應力之和,此處最大應力為418.898 MPa,應力沿遠離中心的方向急劇減小,設計吊鉤時應著重考慮此處的應力。通過理論計算與SolidWorks仿真分析,得到了一致的結(jié)果,即吊鉤A-A截面內(nèi)側(cè)為吊鉤危險截面。理論計算結(jié)果吊鉤最大應力為410.33 MPa,仿真分析結(jié)果為418.898 MPa,兩者的誤差基本可以忽略,誤差的可能原因為危險截面處的應力集中,且在仿真分析時,添加載荷的位置也可對結(jié)果造成影響。吊鉤采用的材料35CrMo屈服強度為835 MPa,理論計算與仿真分析值均在屈服強度之內(nèi),因此該吊鉤可以滿足強度要求[6-8]。

        根據(jù)圖6位移云圖可以觀察到由于吊鉤受到重物拉應力以及彎曲應力影響,吊鉤前段位置發(fā)生最大位移,位移值為0.478 mm。此位移值會使吊鉤發(fā)生一定程度的形變,但是由于其數(shù)值較小,因此不會對吊鉤正常工作產(chǎn)生影響。

        圖5 有限元分析應力云圖

        圖6 有限元分析位移云圖

        4 結(jié)語

        1)通過應用SolidWorks軟件構建三維模型,運用自帶Simulation有限元分析快捷方便,相比于三維建模之后導入Ansys不會出現(xiàn)模型構建錯誤。

        2)應用Simulation插件對吊鉤進行有限元分析可以得到與理論計算相一致的結(jié)果,易損部位在吊鉤內(nèi)側(cè)彎曲處,吊鉤的設計與使用過程應著重分析此處,并應不定期對吊鉤進行安全檢查,保證使用安全。

        3)相比于理論計算,利用SolidWorks有限元分析可以得到各個點的精確解,并可以直觀觀察應力分布情況。通過SolidWorks軟件對模型進行設計、分析可以降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期。

        [1] 白學勇,黎姝,李勇剛.基于ANSYS軟件的吊鉤有限元分析[J].煤礦機械,2009(11):86-87.

        [2] 李水水,李向東,范元勛,等.基于ANSYS的起重機吊鉤優(yōu)化設計[J].機械設計與制造,2012(4):37-38.

        [3] 劉鴻文.材料力學[M].北京:高等教育出版社,2004.

        [4] 閆興明,張亮有.基于SolidWorks起重機吊鉤的有限元分析[J].機械工程與自動化,2016(1):44-45.

        [5] 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.

        [6] 鍋彥娣,李振綱.基于ANSYS的起重機吊鉤強度分析[J].煤礦機械,2016,37(12):45-46.

        [7] 王謙,趙俊利.基于SolidWorks軟件的吊鉤分析[J].煤礦機械,2011,32(10):130-131.

        [8] 陳昱璇.基于靜強度和疲勞強度的起重機吊鉤分析與研究[D].太原:太原科技大學,2015.

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