基于有限元仿真的大規格眼形翅鉤靜力學分析

文/秦威，張熙，張來星，盧勛，仇恒臣·山東神力索具有限公司

隨著世界工業的快速崛起，超大型設備及工件的吊裝需求變得更加普遍，大規格索具的研發設計也應提上日程。山東神力索具有限公司自主研發的大規格100級眼形翅鉤，運用ANSYS結構分析模塊，在研發設計階段對索具整體結構進行強度的安全校核，保證了產品的功能安全性和開發成功率。

大規格吊鉤的設計制造一直是索具行業的一大難點，尤其是在后期生產制造過程中，往往需要克服更大的困難。設計理念的科學與否、是否擁有大型鍛造設備等等因素都考驗著企業對于大規格索具產品的研發制造能力。大規格產品的開發設計普遍存在著加工時間長，鍛造難度大的特點。為了減少不必要的投產次數，借助復雜零件有限元快速建模與分析軟件V1.0系統，引入了基于有限元仿真的大規格眼形翅鉤靜力學分析的概念。

眼形翅鉤基礎信息

產品選自山東神力索具有限公司自主研發設計的100級系列索具，規格為32-10的高強度眼形翅鉤，產品三維模型見圖1，性能參數見表1。其采用高強度高韌性特殊合金鋼23A(23A材料為山東神力索具有限公司協議訂購鋼材保密代號)鍛造而成，經過熱處理以后，可表現出更高的力學性能。相比80級索具，產品性能提升25%，材料力學性能見表2。

表1 產品性能參數

表2 材料力學性能

高強度眼形翅鉤有限元分析

三維模型的建立

ANSYS自有的建模模塊不太適合復雜曲面模型的建立，操作繁瑣。作者選用其他三維軟件來建立模型，對于一些非重點分析區域，應盡量簡化模型，以便能夠生成高質量網格。

網格劃分

由于所分析產品為較復雜的曲面造型，且形狀不規則，所以采用自動網格劃分。程序基于幾何結構的復雜性，自動檢測實體，對能夠進行掃描的實體采用Sweep方法劃分六面體網格，對于不能掃描的實體采用Patch Conforming劃分為四面體網格。通過ANSYS自帶的網格質量度量標準可得，網格質量的平均值為0.8388，節點數約49萬，單元數約34萬。網格質量評估見圖2。

圖2 網格質量評估

施加約束及載荷

眼形翅鉤通常用于起吊作業，翅鉤頂端和雙環扣相連接，鉤體底端穿插鏈條。為了簡化模型，采用彎曲梁模擬雙環扣對翅鉤的承載情況，并對彎曲梁的兩個上端面施加固定約束；下端采用鏈條鏈接，并在鏈條的末端位置施加沿負Y方向的載荷。固定約束位置見圖3，施加載荷位置見圖4。

圖3 固定約束

圖4 施加載荷

解算和分析

(1)生產驗證載荷下的后處理結果及其分析。

根據EN1677標準的相關檢測規定，生產驗證載荷(MPF)測試中的拉力應為工作載荷的2.5倍，且產品的變形量不能超過產品原始尺寸的1%，若變形量過大，則判定產品不合格。在生產驗證載荷下，經過AYSYS軟件解算，得到產品應力分布及變形情況，MPF應力分布云圖見圖5。

圖5 MPF應力分布云圖

在MPF仿真測試中，等效應力最大值存在于鏈條和鉤體接觸位置(圖5所示Max處)，最大應力值為1127.8MPa。由于此值僅存在于網格節點處，是典型的應力奇異現象，不具備分析價值。鉤體有效最大平均應力值約為1049MPa，略微超過材料的屈服強度。通過線性化工具分析，最大應力值僅分布在鉤體表面淺層，鉤體內部材料的應力值遠低于屈服強度。

圖6為鉤體在卸載后的總體變形云圖，最大位移量發生在鉤體的鉤尖處。此位移量并非是產品發生塑性變形造成的，而是由于加載時考慮了重力加速度，偏載的產品在重力作用下形成的自然姿態。

圖6 MPF總體變形云圖

為了研究產品的變形情況，在MPF測試過程中對開口處的尺寸用探針進行測量，測得加載后開口尺寸為43.137mm，產品設計開口尺寸為43mm，可得產品在MPF測試下開口尺寸的變形率為：0.137/43≈0.32%<1%；

綜上，鉤體在MPF仿真測試中，滿足了EN1677標準中規定形變量不能超過產品原尺寸的1%的規定，故鉤體MPF仿真測試合格。

(2)破斷失效載荷下的后處理結果及其分析。

根據EN1677標準的相關檢測規定，破斷失效載荷(BF)測試中的破斷拉力應為工作載荷的4倍，本次分析取F=1568kN。BF測試是驗證產品在相應拉力下的塑性變形程度，當進行BF測試時，產品應當發生良好的塑性變形，并且不能存在斷裂現象。經過ANSYS軟件的解算，得到產品在破斷失效載荷下的變形情況。

為了與實驗室BF測試做比對，BF變形云圖表現的是在加載到最大載荷后完全卸載的變形情況，如圖7所示。鉤尖處的總體位移最大，最大值為21.625mm，可見鉤體在破斷失效載荷下發生了明顯的塑性變形。根據第四強度理論，ANSYS可以計算出鉤體的等效應力分布，如圖8所示。最大應力出現在眼形和彎曲梁相切處，此處便是鉤體部分的危險截面，最大應力值為1413.9MPa，見圖9最大應力值分布圖。

圖7 BF總體變形云圖

圖8 BF應力分布云圖

由圖9可見，最大應力值僅存在相切位置的網格節點處，存在應力奇異現象，不具備分析價值。用探針探取除奇異點外的較大應力值(見圖10)，分別為1178.2MPa、1172.0MPa、1139.6MPa，均未超過材料的抗拉強度。故產品在4倍載荷下，有限元仿真結果滿足EN1677的測試要求。

圖9 最大應力值分布圖

圖10 探針探取應力值

仿真與實驗對比

為了驗證有限元模擬分析的可靠性，安排同規格的產品送往實驗室做BF測試。文章中模擬分析采用的抗拉強度為1226MPa，經查詢鋼材硬度、強度對照表，鉻、鎳、鉬系鋼熱處理后硬度應達到約39HRC。在安排送檢的過程中，測得檢測產品熱處理硬度值均在41～43HRC之間，略高于仿真參數。同時測試過程中嚴格控制拉伸速率，最終測試最大力值約為1616kN。力學性能檢測記錄報告見圖11。圖12為實際測試與仿真對比情況，從左至右依次為未做測試(圖12a)、實驗室BF測試圖(12b)和卸載后的仿真BF測試(圖12c)。

圖11 力學性能檢測記錄報告

圖12 實際測試與仿真對比情況

通過對比可以看出，大規格的產品滿足破斷測試要求。但是在形變方面與仿真結果存在著一些不同，主要表現在鉤體脖頸處。這是因為送樣產品熱處理硬度相對較高，屈服和抗拉強度相對較大。但是整體變形趨勢基本吻合，尤其是仿真的彎曲位置與實際測試結果保持著高度相似性。

結論

有限元分析在索具產品設計當中的應用，很大程度上提高了產品的開模成功率。尤其是在大規格索具的開發設計當中，對產品的結構合理性提供了可靠的理論支撐，可為客戶持續提供高質量、高安全、高性能的索具產品。