有限元分析在吊具設計中的應用

中國南車戚墅堰機車有限公司 (江蘇常州 213011)譚曉麗

目前，在起重吊裝機械設計過程中，工程設計人員采用的設計計算方法一般有兩種:一是按照經驗公式確定構件的主要幾何尺寸，然后根據構件幾何形狀對構件進行簡化，按照彈性曲梁理論進行驗算，簡稱經驗算法;二是建立構件的三維實體模型，使用有限元計算軟件進行計算。

在工程設計實踐中，發現以上兩種算法存在諸多弊病:兩種方法都是以最大計算應力不超過材料的屈服極限，并有一定的安全系數儲備為原則，這樣對于使用頻率低的起重設備而言相對保守，自重偏大;經驗算法對設計計算人員的模型簡化能力要求較高，模型簡化的不當有可能導致危險截面被忽略，而且由于危險截面的不明確性，導致驗算較為繁瑣;有限元算法的結果受構件單元劃分的數量及質量的影響較大，同時奇異單元、應力集中的存在對結果也有著較大影響，所以對計算結果正確性的判定較難。

吊具的傳統設計方法多采用以力學和數學為基礎的半理論半經驗設計法、類比法和直覺法等傳統設計方法，傳統的設計方法是在已知工況和負載的前提下依據理論經驗及相關手冊完成強度、剛度和穩定性校核及機構尺寸的計算，而對于吊具的實際工作性能在設計階段進行全面的了解比較困難。而且存在設計周期長、反復多、精度差、成本高等缺點。這種半理論半經驗設計法，要從根本上提高專用吊具的性能，對其進行優化，顯然存在很大的局限性，難以滿足企業對日益大型化的專用吊具使用需求。

這一問題隨著計算機輔助設計與分析技術的不斷發展有所改善，有限元分析在機械設計中所起的作用也越來越重要，利用軟件對吊具進行參數化設計，完成實體建模后加載實際工況進行有限元分析，通過有限元軟件，我們可以對零件的強度、剛度等性能指標進行模擬分析，對吊具的應力分布和形變情況作定性的認識，為吊具結構的改良與優化提供理論依據，并指導設計人員對零件進行優化設計，達到以最小的成本，滿足產品的設計需求。

本文介紹了凸輪軸起吊吊具的設計過程，在結合傳統設計方法的基礎上對重要零部件運用Pro/E 建模和ANSYS 分析實現參數化設計，最終完成零件三維建模。這一設計思想在提高產品設計生產效率的同時也突出了計算機輔助設計與分析對起吊裝備設計的重要輔助作用。

極限狀態法同有限元法相結合，由有限元法確定危險截面，極限狀態法進行計算，并可用于小安全系數結構的強度余量復核復算。在吊裝使用過程中，應加強構件的無損探傷檢查，若發現裂紋或缺陷應立即停止使用。

1.吊具三維模型的建立

圖1

圖2

本文研究的是凸輪軸吊具，凸輪軸外形如圖1所示，當生產中流轉、吊運時需采用專用的吊具，其在Pro/E 中建立的吊具三維模型如圖2 所示。如圖吊具由吊梁和吊鉤焊接而成，單根凸輪軸重量不超過60kg，所以設定吊鉤的起吊重量為70kg，根據經驗設定吊具的吊鉤選用φ16mm 的圓鋼彎制而成，為了確保吊具的使用安全，需對吊具的受力變形及危險截面情況進行精確分析，采用ANSYS 有限元軟件進行靜力分析，計算在固定不變的載荷作用下結構的效應。它不考慮慣性和阻尼的影響，如結構受隨時間變化的載荷的情況，但它可以計算那些固定不變的慣性載荷對結構的影響(如重力、離心力)，以及可以近似為等價靜力作用的隨時間變化的載荷。通過靜力分析，我們可以得到結構在載荷作用下的位移、應力、應變等。

2.基于有限元的吊具結構分析與改進

(1)模型建立與剖分 應用ANSYS 對吊具進行靜力分析，首先將在Pro/E 中建立的三維模型導入ANSYS 的仿真環境，應用其中的Design Simulation 模塊對零件進行剛度、強度分析。流程為定義材料屬性、劃分網格、施加載荷和邊界條件，最終根據結構的應力云圖和變形云圖檢測結構的剛度、強度情況。Pro/E 中建立的三維模型導入有限元軟件ANSYS 中如圖3a 所示，采用Solid 187 單元對鉗爪進行剖分，共得到11 033 個有限元單元，剖分后的有限元模型如圖3b 所示。

圖3 吊具模型

(2)吊具有限元分析 按圖3a 所示對吊具施加約束和載荷，吊具全部選用Q235A 碳素結構鋼，Q235A 鋼的屈服強度為:σs=225 MPa，載荷施加條件:70kg，吊具自重忽略。吊具的起吊孔約束和載荷施加情況如圖4 所示在兩個吊鉤上施加力為:700N，并在圖示陰影區域施加一個無摩擦的約束。進行靜力分析求解得到施加70kg 的力時應力云圖和變形云圖如圖4 所示。

圖4

危險截面位于圖中箭頭所指截面。通過分析在上述狀態下吊具的最大應力在吊梁的中間部位及吊鉤的彎曲部位。為防止吊具變形過大產生斷裂。對此結構進行改進。

(3)吊具結構改進 根據圖4 的分析結果，結合觀察吊具模型，發現吊梁的起吊孔處是直線和圓弧的相交連接，該類連接由于過渡不均勻容易產生應力集中;另外，吊鉤直徑偏小。

對現有吊具結構進行改進:吊具起吊孔處采用直線、圓弧相切連接，以避免應力集中。改進后的吊具結構如圖5 所示。

圖5 改進后吊具結構模型

采用相同的方法對改進后的吊具結構施加相同的約束與載荷并進行有限元分析，得到吊具應力分布如圖6 所示。

圖6

由圖6 可以看出，改進后的吊具其工作過程中的最大應力值出現在吊具上段與中部圓形開口相接處，應用理論計算得到危險截面的最大應力值。

此截面的抗彎截面系數為

強度校核計算:

如圖7a 所示，截取吊鉤最大應力截面作受力分析，其中彎矩為:M=350×82.5=28 875N·mm。

如圖7c 所示，在B 截面上彎矩M 產生的最大彎曲應力為:

吊具最大應力小于吊鉤材料的許用應力，與原先結構相比，大大提高了吊具在夾吊作業中的強度保證。

圖7

3.結語

以傳統設計方法為基礎，結合CAD 技術建立模型，用有限元分析思想對專用吊具進行實際工況的受力分析，得出吊具重要零部件在靜態工況下的應力云圖和變形云圖，為其安全可靠性提供依據，實現吊具的參數化設計建模與分析，從而完成吊具的設計、建模、分析、改良、優化等5 個步驟的無縫鏈接，簡化傳統專用吊具的設計過程并提高生產率。

利用Pro/E 軟件建立三維實體模型和利用ANSYS 軟件進行有限元分析，可獲得準確的應力、應變場，具有模型準確、計算結果精確、直觀、操作方便等優點。利用該軟件可以方便地改善零件結構，改善應力分布，優化零件結構，提高零件安全系數。同時，該方法既可以用來設計關鍵零件具體結構，也可以用來校核已設計產品關鍵零件的強度和剛度，具有很強的實用性和先進性，對發展專用吊具設計開發水平，提高企業生產的生產效率，降低成品板材的報廢率等，具有一定的經濟和理論研究意義。