基于ANSYS的起重機(jī)吊鉤優(yōu)化設(shè)計(jì)

 

    吊鉤是起重機(jī)上應(yīng)用*廣泛的一種取物裝置，也是起重機(jī)的主要承載部件，吊鉤的強(qiáng)度及其設(shè)計(jì)的合理性對(duì)起重機(jī)工作的安全性至關(guān)重要。因此，應(yīng)用現(xiàn)代有限元分析方法，對(duì)吊鉤的強(qiáng)度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)吊鉤的*大變形位置，揭示其應(yīng)力分布規(guī)律和危險(xiǎn)截面，為吊鉤強(qiáng)度的研究設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，具有重要的工程意義。

 

    2有限元模型的建立與分析2.1吊鉤的結(jié)構(gòu)及參數(shù)以實(shí)際生產(chǎn)中一臺(tái)工作級(jí)別M5的50t/10t橋式起重機(jī)主起升的直柄吊鉤為例，其結(jié)構(gòu)形式簡圖，如所示。其參數(shù)為：單鉤，鉤號(hào)為40，強(qiáng)度等級(jí)為M，鉤身水平截面*大厚度為200mm，豎直截面*大厚度為170mm，柄部直徑為150mm.吊鉤材料為DG20Mn，材料的屈服點(diǎn)為333MPa，抗拉強(qiáng)度510MPa，泊松比0.3，彈性模量E=2.1ellPa，密度為7860kg/m3.鉤身*大許用彎曲應(yīng)力：吊鉤直桿部分*大許用拉應(yīng)力：甌吊鉤結(jié)構(gòu)簡罔2.2吊鉤有限元模型的建立某些過渡轉(zhuǎn)角幾何特征對(duì)強(qiáng)度的影響很小，在Ansys中會(huì)增加畸變網(wǎng)格的產(chǎn)生幾率，增加計(jì)算時(shí)間，影響計(jì)算精度，因此建模時(shí)應(yīng)予以簡化。單元類型選用六面體結(jié)構(gòu)單元Solidl85.吊鉤直柄上端部分添加約束，約束其全部自由度。

 

    由于實(shí)際吊裝過程中，吊重會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，使得懸吊重物的鋼索拉力與垂直方向產(chǎn)生一定的夾角，根據(jù)工程實(shí)際及浮吊規(guī)程，此夾角應(yīng)控制在30°左右。因此，吊鉤滿載達(dá)到*大起重量50t，且鋼絲繩拉力偏角為30°時(shí)，吊鉤處于*不利載荷的極限工況。

 

    取懸吊重物的鋼索直徑D=28mm，即載荷的作用面區(qū)段約為D與吊鉤中間豎直截面*大厚度的乘積。通過對(duì)吊鉤中間豎直平面兩側(cè)各30°作用面施加面均布載荷的方法，來模擬懸吊貨物的鋼索對(duì)吊鉤的作用載荷。

 

    網(wǎng)格劃分、添加約束、施加面載荷后得。

 

    有限元模型，如所示。

 

    2.3求解結(jié)果及分析吊鉤的變形圖，如Q所示。由該圖可知，吊鉤受力后有一定幅度的變形，其*大變形為0.925mm.吊鉤的應(yīng)力分布圖，如⑥所示。由可知：①吊鉤的*大應(yīng)力發(fā)生在鉤身主彎曲截面（水平截面）內(nèi)側(cè)，且*大應(yīng)力為157MPa.吊鉤鉤身主彎曲截面（水平截面）外側(cè)的*大應(yīng)力約為87MPa，皆小于許用應(yīng)力214.84MPa.（2）吊鉤鉤身在豎直截面內(nèi)應(yīng)力也較大，為另一危險(xiǎn)截面，其*大應(yīng)力約為104MPa.（3）吊鉤直桿部分*大拉應(yīng)力為69.6MPa，小于許用應(yīng)力102MPa.所以，實(shí)際分析所得應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，應(yīng)力余量大，說明吊鉤是很安全的，可以進(jìn)于優(yōu)化。

 

    3吊鉤的優(yōu)化在吊鉤所受載荷力大小和安全系數(shù)都滿足要求的前提下，可以減小吊鉤的*大厚度和直柄直徑來進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，將水平截面*大厚度從200mm減少到180mm，豎直截面*大厚度從170mm減少到155mm，柄部直徑從150mm減少到135mm.此時(shí)施加的面載荷大小約為：對(duì)優(yōu)化后的吊鉤重新建模，在約束不變的情況下，對(duì)其再次進(jìn)行有限元分析，計(jì)算分析結(jié)果，如所示。

 

    U0優(yōu)化后吊鉤應(yīng)力圖閣4優(yōu)化后分析結(jié)果從、中可以看出，此時(shí)新吊鉤鉤身主彎曲截面（水平截面）內(nèi)側(cè)*大應(yīng)力為182MPa豎直截面*大應(yīng)力為122MPa，都小于許用應(yīng)力214.84MPa.吊鉤直桿部分*大拉應(yīng)力增大為81MPa，小于許用應(yīng)力102MPa.吊鉤的*大變形為1.066mm.所以，優(yōu)化后的吊鉤滿足強(qiáng)度要求。而且，由PROE建立的三維模型進(jìn)行質(zhì)量屬性評(píng)估，可知吊鉤的質(zhì)量從313.79kg下降到263.05kg，減少了50.74Kg質(zhì)量減輕了16.1%優(yōu)化效果明顯。

 

    4總結(jié)利用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)一直柄單鉤（GB/T10051.4-1988）進(jìn)行了詳細(xì)的靜力學(xué)分析。與傳統(tǒng)的分析方法相比，更準(zhǔn)確的捕捉了吊鉤的應(yīng)力和位移分布情況，對(duì)工程實(shí)際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。并在滿足吊鉤強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提下，對(duì)吊鉤的厚度進(jìn)行了結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明傳統(tǒng)的吊鉤厚度設(shè)計(jì)方法是保守的。