基于ANSYS Workbench的吊鉤橫梁靜力學仿真

周軍

(荊州職業技術學院新能源汽車學院，湖北 荊州 434000)

隨著我國經濟的發展進步，工業化程度的進步必然離不開各種技術裝備的支持，其中，吊鉤便是諸多重型起重機或者運輸行業中不可或缺的一種機械零件，在城市建設、國防建設等其他領域起著至關重要的作用[1]。在吊鉤與橫梁相互搭配處于起重作業中時，吊鉤橫梁可能就會持續地受到與吊鉤接觸面間交變載荷的作用，長此以往，吊鉤橫梁本身極其容易產生疲勞損壞，從而達到疲勞極限。而一旦吊鉤橫梁在工作的過程中達到了疲勞壽命，此時的橫梁便會瞬間斷裂，并可能造成無法挽回的后果。所以，結合當下實際的工程應用，去評估和預測吊鉤橫梁在正常工作過程中的疲勞壽命具有重要的實際意義和經濟意義[2]。為此，筆者以市面上廣泛應用的3.2t橋式起重機的吊鉤橫梁作為研究對象，運用ANSYS 系統中Workbench平臺的有限元靜力學仿真，分析吊鉤橫梁在加有載荷的狀態下其應力和位移分布云圖。由此可以根據仿真分析得到的數據從理論上估算吊鉤橫梁的疲勞壽命，以便能夠確保吊鉤與橫梁配合使用的過程中的安全性，也能夠根據等效應力云圖觀察其應力集中處，為吊鉤橫梁今后的設計優化提供有力的參考[3]。

1 模型的建立

圖2 吊鉤橫梁俯視圖

圖3 吊鉤橫梁三維模型

根據市面上吊鉤橫梁的實際應用情況，筆者在考慮過吊鉤橫梁的一般結構尺寸后所提供的橫梁結構尺寸如圖1和圖2所示[4]。根據所提供的橫梁尺寸草圖，通過三維繪圖軟件SolidWorks構建該吊鉤橫梁的三維實體模型，如圖3所示。將所得到的吊鉤三維模型另存為x_t格式文件[5]供下一步ANSYS Workbench仿真使用。

2 仿真前處理

由于所述吊鉤橫梁所用材料為30#鋼，且對吊鉤橫梁進行的靜力學仿真只需要材料密度、楊氏模量和泊松比等主要參數即可完成對材料性能的定義，所以查閱資料可得表1所示的材料屬性[6]。根據有限元仿真的實質，將三維實體細化為有限細小的單元進行離散化分析，所以此處采用四面體網格的劃分模式，同時定義全局種子的大小為1mm，劃分完成后經過Workbench平臺計算所得到的網格單元數量為149597，節點數為226649，最后系統計算的最終結果顯示網格劃分的質量良好，如圖4所示[7]。

圖4 吊鉤橫梁網格模型

3 仿真試驗及后處理

對于吊鉤橫梁本身結構而言，整體經由吊鉤橫梁兩端的圓柱懸臂通過滑輪聯結進行支撐。由于懸臂為圓柱形，故而能夠在滑輪的軸承內進行相應的轉動，承載吊鉤拉力的位置則由吊鉤橫梁中間的凹臺平面提供。將先前構建完備的3D實體吊鉤橫梁模型導入ANSYS Workbench平臺之后，在定義該模擬試驗的邊界條件之前，假定連接懸臂滑輪的鋼絲繩沒有晃動，處于靜止狀態，所以施加垂直于凹臺平面的額定載荷，并定義兩端圓柱懸臂處為圓柱約束[8]。最后在求解器中設定等效應力變化和等效位移變化，X、Y和Z軸方向的定向應力變化以及定向位移變化，求解得到相應的變化云圖如圖5～圖12所示。

圖5 X軸方向的應力云圖 圖6 X軸方向的變形云圖

圖7 Y軸方向的應力云圖 圖8 Y軸方向的變形云圖

圖9 Z軸方向的應力云圖 圖10 Z軸方向的變形云圖

1)應力分析結果。由應力云圖可知，在X軸方向，最大應力為105.13MPa，方向為X軸正方向；在Y軸方向，最大應力為44.22MPa，方向為Y軸正方向；在Z軸方向，最大應力為39.287MPa，方向為Z軸負方向；最大等效應力位于吊鉤橫梁中部與兩端軸承支撐位置的結合處，大小為89.92MPa。

2)變形分析結果。由變形(位移)云圖可知，在X軸方向，最大變形為0.0015643mm，方向為X軸正方向；在Y軸方向，最大變形為0.00038731mm，方向為Y軸負方向；在Z軸方向，最大變形為0.0046768mm，方向為Z軸負方向；整體最大變形位于吊鉤橫梁中心吊鉤通過的孔截面，大小為0.0046952mm[9]。同時，由于吊鉤橫梁的主要受力為Z軸方向，通過圖11可以看出，吊鉤橫梁的應力集中主要存在于圓柱懸臂與橫梁中心結構相連接的變截面處，而該變截面的上邊緣主要承載所施加載荷的拉應力，下邊緣主要承載所施加載荷的壓應力。而從圖12的等效變形云圖可以看出，最大位移變形處于吊鉤與吊鉤橫梁所連接中心的環形凹臺的平面上，因此，吊鉤橫梁的危險部位通常出現在該連接面的邊緣部分[10]。

圖11 等效應力云圖

圖12 等效變形云圖

4 仿真結果分析

4.1 強度分析

30#結構鋼的屈服強度為295MPa。由圖11可得，經過ANSYS Workbench有限元分析軟件得到吊鉤橫梁在3.2t負載下的最大等效應力為89.92MPa，小于屈服強度295MPa，故而滿足對應的強度要求，所以吊鉤橫梁在此工況下工作安全。

4.2 靜剛度分析

吊鉤橫梁的靜剛度是指吊鉤橫梁在施加靜載荷力下抵抗變形的能力，而線性靜態結構分析方程為：

F=Ky

(1)

其中，K為靜剛度,N/m；y為受力方向的最大變形量,mm；F為受力方向所施加的總載荷,N。

在分析過程中，式(1)需要滿足以下的假設條件：y必須是連續的，并且相應的實體材料需要滿足線彈性和小變形條件，F是靜載荷。最后在計算吊鉤橫梁靜剛度時，由于吊鉤橫梁的載荷是沿Z軸負方向施加的，所以由圖9可知，Z軸方向的最大變形為0.0046768mm，Z方向的載荷取32000N，則通過式(1)變形可以計算得到吊鉤在Z方向上的靜剛度為6.8423×109N/m。

4.3 安全系數

由許用應力公式：

(2)

得到安全系數公式為：

(3)

其中，k為安全系數。在該吊鉤橫梁承載3.2t載荷的情況下，代入相應數值得到吊鉤橫梁的安全系數不超過3.28。

5 結語

結合工程應用中較多的橋式起重機的吊鉤橫梁以及30#結構鋼的材料，運用SolidWorks三維畫圖軟件構建其對應三維實體模型，將三維實體模型經由Workbench平臺在有限元軟件ANSYS系統中進行靜力學仿真。通過仿真得到的應力變化云圖以及位移變化云圖分析該吊鉤橫梁的危險截面，為吊鉤橫梁的結構設計和優化打下堅實的基礎。同時，通過該仿真得到主受力方向的最大應力以及位移變化的大小，運用理論分析計算得到該吊鉤橫梁的強度要求、抗變形能力以及許用安全系數，計算結果符合該吊鉤的實際使用安全要求，為理論計算提供了思路，也為今后吊鉤橫梁的優化創新提出了明確的方向。