合金鋼弓形卸扣類產品受力狀態的模擬分析及研究

合金鋼弓形卸扣類產品受力狀態的模擬分析及研究

文/王秀剛，張體學，張來星·山東神力索具有限公司

弓形卸扣產品外形不規則，難以利用傳統的方法分析計算得到產品的危險截面和變形量等信息。本文運用ANSYS WORKBENCH模擬產品在真實情況下的工況，考察產品的變形應力，變形量等性能參數。將分析得到的數據與產品進行相應的測試后的數據進行比較，確定前期產品設計的可靠性，確保產品安全可靠，以達到縮短研發設計周期、節約研發成本的目的。

山東神力索具有限公司是生產制造各類鍛造索具產品的高新技術企業，主要生產各類高檔索具、索具配件及其他鍛件，產品廣泛應用于船舶、碼頭、礦山、油田、森林采伐、工礦企業、體育場館等場所的起重、吊裝、運輸等工作。公司研發生產的模鍛合金鋼弓形卸扣與早期的U形卸扣相比，具有更強的承載力，更精美的外觀，因此得到了廣泛的應用。SLR-756 G8合金鋼弓形卸扣產品具有重量輕、承載力大、安全系數大等特點。產品在研發過程中，借助現代設計方法，運用ANSYS WORKBENCH模擬產品的受力情況，確保產品的安全性能，為產品的實際生產、檢測提供理論依據。

產品基本信息

本文對神力索具生產的SLR-756 G8 7/8規格螺栓銷合金鋼弓形卸扣產品的受力狀態進行模擬分析，其裝配圖、零件圖見圖1、2，產品及材料具體性能參數見表1、2。

圖1 弓形卸扣裝配圖

圖2 弓形卸扣零件圖

■ 表1 產品性能參數

■ 表2 材料性能參數

圖3 網格質量報告

有限元分析計算

在ANSYS WORKBENCH中 選 擇STATIC STRUCTURAL分析模塊，定義好材料特性后建立產品的三維模型。在MODEL環境中，定義卸扣中的幾個接觸點。在實際工況中，止退銷不受力的作用，分析時抑制止退銷，這樣在后面的分析中不會對止退銷進行分析，簡化模型，減少運算過程的計算量，提高仿真模擬的準確性。根據實際的工況，卸扣實際使用中的幾個接觸的類型為：螺栓與孔為Bonded；螺母與卸扣體為NO Separation；螺栓與卸扣體為NO Separation；螺栓與螺母為Bonded。

根據產品外形特點，在ANSYS WORKBENCH中選取四面格網格中的PATCH INDEPENDENT方法，這種網格劃分方法能很好地劃分連接面之間的過渡區域，得到較好的網格劃分結果。圖3為合金鋼網格劃分結果及網格質量報告，劃分的網格質量較好，能滿足后續的分析要求。

卸扣使用時，卸扣體的內底部一般跟鋼絲繩相連，螺栓中心部分也與鋼絲繩相連，與SLR-756 G8 7/8弓形卸扣配套使用的鋼絲繩的直徑為18cm，考慮到鋼絲繩在使用過程中的變形，故分析時選取直徑為12cm的圓，印記到螺栓和卸扣體上形成受力面。歐盟標準中對此類產品的檢驗有MPF檢測和BF破斷測驗要求，前者的目的是檢驗產品在2倍的工作載荷下的變形情況，變形率不超過1%，后者則是要求產品至少要達到5倍的工作載荷時才能斷裂。

受力模擬分析

MPF變形測試模擬

綜合考慮模型的受力情況，將螺栓上的受力面設為固定面，如圖4所示。在卸扣體的受力面上施加一個與受力面法向方向相反的力，2倍的工作載荷為19t，如圖5所示。

圖4 固定面的設定

圖6 應力分布圖①

圖7 應力分布圖②

從圖6、7可以看到，產品的最大應力達到5896MPa，應力集中發生在螺栓與卸扣體孔相接處的區域以及螺帽與卸扣體孔相接觸區域。在實際情況中，螺帽與卸扣體在力的作用下，螺栓被拉伸彎曲后，導致與卸扣體發生相互擠壓，出現較大的應力。螺桿的橫截面受到彎矩跟剪切力的作用，在螺桿中間部分會受到較大的彎曲應力，在固定面處彎曲應力達到最大，達到2400MPa。卸扣體上的最大應力值出現在弓形扣橫向最大直徑和載荷施加處，最大應力達到1965MPa。

對于弓形卸扣體，在豎直力的作用下，弓形部分在豎直方向上有被拉直的傾向，在橫向最大直徑這一區域的豎直方向上，截面積先由大變小，再由小變大，截面面積的變化導致產生較大的應力。而在卸扣體底部，由于載荷直接施加在這里，這里的力是整個卸扣體上最大的，因此出現應力集中的現象。

變形是考察卸扣性能的另一個主要參數，分析中就體現在產品各個部分相對于固定點的位移。在實際運用中，微小的變形不會影響卸扣的使用，但是當變形達到一定值時，由于總的長度發生了變化，有可能會導致意外事故的發生，或者過大的變形將導致與其配套的產品產生相互擠壓，以至于不能進行拆卸，影響后續的使用，所以歐盟標準規定了卸扣在2倍的載荷下應有合理的變形范圍，變形要在公差范圍內，而最大不能超過尺寸的1%。

圖8～11分別給出了卸扣的整體位移，X方向的位移，Y方向的位移，Z方向的位移。由總位移圖可知，工件在額定載荷下的最大位移發生在卸扣體的載荷施加處并延伸到卸扣體一側的橫向最大直徑處，最大位移達到1.2637mm，且位移沿著工件由載荷施加處向銷軸處逐漸遞減。在這里并不是最大變形的發生處，因為這里的位移是產品所有零件相對于固定面發生的位移疊加。由于在前面定義時，把螺栓的受力處設為固定面，軟件計算時就將這一部分固定，螺栓的其他部位的位移就相對于這一點發生，所以在總的位移圖中，螺栓沒有受力的部分反而發生了變形，這是由于設定的問題，但是總的變形情況是與事實相符的。

在X方向上，弓形部分的位移最大。前面分析應力時提到這里也是應力集中的地方，弓形被拉直，也就是兩邊的弓形沿著X方向向上靠攏，左邊弓形的正向位移為0.19863mm，右邊的弓形負向位移為0.29735mm。

圖8 MPF測試時總體變形

圖9 MPF測試時X向變形

圖10 MPF測試時Y向變形

圖11 MPF測試時Z向變形

在Y方向上，最大變形發生在載荷施加處。在力的作用下，整個產品處于被拉伸的狀態，當螺栓處被固定后，產品的所有Y向位移量積累到了產品的最低點——載荷施加處，變形量為0.98245mm。

在Z方向上，位移主要表現為產品在載荷的作用下截面的變化。正向最大變形發生在卸扣體的最上端，值為0.18919mm，負向最大變形發生在卸扣體的最下端，值為0.85275mm。

BF破斷載荷測試模擬

依據歐盟標準規定，G8級卸扣類產品的破斷拉力為工作載荷的5倍，分析時在卸扣體的受力面上施加一個47.5t的力，其他設置與過程和MPF測試相同，分析結果如圖12、13所示。

根據分析結果可以看出，在5倍的工作載荷下，產品的局部最大應力為13521MPa，應力的分布與MPF的分布相同。最大變形約為3.80mm，最大的變形位置與MPF測試時相同。

模擬分析結果與試驗結果對比

在根據相關標準設定了SLR-756 G8 7/8弓形卸扣產品的尺寸，確定材料后，本文接著進行了ANSYS分析，主要對卸扣體的MPF變形測試及BF破斷載荷測試進行了模擬檢測，結合前面的MPF變形測試模擬分析結果，對幾個關鍵的點進行了測量。其中在總體變形中最大變形是卸扣體的弓形處，變形量為0.19863+0.29735≈0.49mm，模擬分析的結果在理論上滿足歐盟相關產品的設計要求。BF破斷載荷測試模擬發現，在最小破斷載荷下，產品承載部位將產生比較明顯的塑性變形，達到3.8mm以上，避免了局部位置破壞性失效。

圖12 破斷拉力測試應力圖

圖13 破斷拉力測試整體變形圖

圖14 MPF測試前

圖15 MPF測試后

圖16 BF破斷測試載荷施加曲線

圖17 BF破斷載荷測試后

后期安排實際生產SLR-756 G8 7/8合金鋼弓形卸扣的樣件，并選擇合理的熱處理工藝及機加工方式，并對產品進行MPF變形測試，測試后的產品如圖14、15所示。由于材料屬性、熱處理方式、加工方式、試驗方式及測量誤差等各方面因素的影響，理論值與實際測驗值肯定會存在一定的誤差范圍，標定弓形的內圓直徑，將測試前與測試后的尺寸進行了對比，測試前為56mm，測試后為55.6mm，變形微小，未達到最大設計變形量0.56mm，變形量在公差范圍內。

對產品進行BF破斷載荷測試，測試載荷施加曲線如圖16所示，載荷力最大時達到492.7kN，超過歐盟標準要求的5倍安全工作載荷值。測試后的產品如圖17所示，我們可以看到，產品有較大的塑性變形，但沒有破斷，同樣滿足歐盟相關標準。測量標定處的直徑為49mm，其變化值為7mm，與模擬分析理論值有較大的誤差，考慮為實際生產、加工、熱處理及檢測過程中的影響因素導致的誤差存在。

結束語

本文論述了在高檔索具研發過程中，借助現代三維CAD設計方法，運用ANSYS WORKBENCH模擬分析軟件，對索具產品的受力情況進行有限元分析，確保產品的安全性能，為產品的實際生產、檢測提供理論依據，同時通過小批量樣件試制，進行力學性能檢測驗證的方式對模擬分析結果進行了驗證確認。試驗檢測結果與模擬分析結果基本相符，證明了模擬分析的先進性與科學性，從而達到降低新產品研發成本，縮短研發周期的目的，滿足為客戶提供安全可靠、更加優質高檔索具產品的目標。

王秀剛，工程師，技術中心主任，主要從事高檔吊索具產品研發及項目管理、復雜鍛造產品鍛造成形工藝研究、鍛件及鍛造模具熱處理工藝研究、高檔索具受力狀態有限元分析模擬及研究等工作。