大噸位起重吊鉤裝置有限元分析與優化

溫進堂 ，馬 兵 ，劉永剛 ，韓紅安 ，龍宏欣 ，鐘 亞 ，邵松濤 ， 李帥陽

（1.長安大學工程機械學院，陜西 西安 716000；2.河南衛華重型機械股份有限公司，河南 新鄉 453400）

起重機被廣泛用于各種各樣的土木工程之中，有著不可替代的地位，起重吊鉤是其重要的工作裝置之一。如何合理設計起重吊鉤對于起重機的正常作業十分重要。為提倡“綠色、環保”的設計理念，在不影響性能的情況下對起重吊鉤提出一種開孔式的結構優化方案。本文以大噸位起重吊鉤為研究對象，采用三維軟件SolidWorks與有限元軟件ABAQUS聯合仿真，首先分析起重吊鉤開孔前后的應力與變形，再對開孔吊鉤進行模態分析，提取固有頻率和振型，進行動態特性研究，這對起重吊鉤的設計有很大的參考作用[1-2]。

1 有限元模型的建立及計算

1.1 吊鉤靜強度分析

本文選用某8 0 0 t新中式起重吊鉤，通過SolidWorks構建其三維模型同時導入ABAQUS里進行分析，忽略倒角、螺栓等的影響。根據GB/T 3811—2008《起重機設計規范》，對其施加靜態試驗載荷分析；吊鉤的材料選用合金結構鋼35CrMo，彈性模量為1.9×105MPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3。約束均設置在吊鉤上側端面位置，為固定約束；載荷以1.25倍的額定載荷加載在吊鉤兩端中心孔與豎直方向成45°夾角，以模擬真實的繩子作用角度[3-7]；根據吊鉤結構特點，采用映射加掃掠的網格劃分方式，并采用C3D8R的單元類型，網格大小為20 mm，其有限元模型如圖1所示。

圖1 兩種起重吊鉤裝置有限元模型

1.2 吊鉤靜力學分析結果

開孔前后兩種吊鉤在靜載試驗載荷作用下的靜力學分析結果如圖2所示。由圖2可知，有孔和無孔的吊鉤最大的等效應力出現在吊鉤內側，應力狀態為拉應力并且應力過渡自然，最大縱向位移出現在吊鉤端部外側；無孔吊鉤中間部分應力較小，故采用開孔方式進行優化。靜力學結果對比如表1所示。

表1 起重吊鉤靜力學對比與優化結果

圖2 開孔前后起重吊鉤應力和變形結果對比

由開孔前后吊鉤靜力學分析結果可知吊鉤整體變形較為均勻，變化較緩和，均滿足使用性能要求。對比兩種工況吊鉤靜力學分析結果可知，開孔后起重吊鉤應力與變形變化不大，但質量卻減少了8.66%，可以對起重吊鉤的優化起到一定參考作用。

2 開孔吊鉤模態分析

2.1 模態分析概述

在機械工程領域，模態是指機械結構的一種固有振動特性。利用有限元分析進行模態計算能提取每一階次下對應的一個模態，每個都有其自己特定的固有頻率、阻尼和模態振型等表征參數[8]。起重吊鉤在起重機工作過程中會受到許多隨機載荷的作用，若這些載荷的作用頻率與起重吊鉤的固有頻率接近，就會導致吊鉤發生共振現象，使得吊鉤振型疊加，大大縮短吊鉤的使用壽命，嚴重時還容易產生吊鉤斷裂的危險，引發安全事故[9-10]。

2.2 吊鉤模態分析提取結果

由機械結構模態分析理論可知，低階模態對振動系統的動態特性響應有很大的影響，而高階模態對振動系統的動態特性響應的影響非常小，可以忽略不計。故本文利用Lanczos算法提取起重吊鉤的前4階的非剛體模態的頻率和振型，如表2所示。模態振型如圖3~圖6所示。

圖6 第4階非剛體模態振型

表2 起重吊鉤的前4階非剛體模態的頻率和振型

圖3 第1階非剛體模態振型

1）當外部激勵的頻率與表中起重吊鉤頻率接近時，有可能產生較大的振幅，將大大縮短起重吊鉤的使用壽命；因此在設計時，應盡量避免產生“共振”現象。2）第1、4階模態振型表征起重吊鉤在水平面內的變形，容易受到水平載荷如隨機風載荷、回轉慣性力以及吊載的左右擺動的影響；第2階模態振型表征起重吊鉤在豎直平面內的變形，容易受到垂直載荷的影響，如吊載和吊鉤自重、繩索張力等。

圖4 第2階非剛體模態振型

圖5 第3階非剛體模態振型

3 結論

綜上所述，本文對一種大噸位起重吊鉤裝置提出一種中間開孔的優化設計方案并對其進行了在試驗載荷的作用下的靜力分析。仿真結果表明，起重吊鉤最大的等效應力出現在吊鉤內側，在結構的許可應力范圍內，開孔后起重吊鉤應力與變形變化不大，但質量卻減少了8.66%；在頻繁的起重移動作業過程中，吊鉤容易受到交變載荷作用，容易發生疲勞破壞，在設計中應該特別注意，該結果為今后的起重吊鉤裝置的設計提供了理論借鑒。