大噸位起重吊鉤裝置有限元分析與優(yōu)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(wèi)華重型機械股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 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(shè)計起重吊鉤對于起重機的正常作業(yè)十分重要。為提倡“綠色、環(huán)保”的設(shè)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(jié)構(gòu)優(yōu)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(lián)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(tài)分析，提取固有頻率和振型，進行動態(tài)特性研究，這對起重吊鉤的設(shè)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(gòu)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(jù)GB/T 3811—2008《起重機設(shè)計規(guī)范》，對其施加靜態(tài)試驗載荷分析；吊鉤的材料選用合金結(jié)構(gòu)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(shè)置在吊鉤上側(cè)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(jù)吊鉤結(jié)構(gòu)特點，采用映射加掃掠的網(wǎng)格劃分方式，并采用C3D8R的單元類型，網(wǎng)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(jié)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(jié)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(xiàn)在吊鉤內(nèi)側(cè)，應力狀態(tài)為拉應力并且應力過渡自然，最大縱向位移出現(xiàn)在吊鉤端部外側(cè)；無孔吊鉤中間部分應力較小，故采用開孔方式進行優(yōu)化。靜力學結(jié)果對比如表1所示。

表1 起重吊鉤靜力學對比與優(yōu)化結(jié)果

圖2 開孔前后起重吊鉤應力和變形結(jié)果對比

由開孔前后吊鉤靜力學分析結(jié)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(jié)果可知，開孔后起重吊鉤應力與變形變化不大，但質(zhì)量卻減少了8.66%，可以對起重吊鉤的優(yōu)化起到一定參考作用。

2 開孔吊鉤模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析概述

在機械工程領(lǐng)域，模態(tài)是指機械結(jié)構(gòu)的一種固有振動特性。利用有限元分析進行模態(tài)計算能提取每一階次下對應的一個模態(tài)，每個都有其自己特定的固有頻率、阻尼和模態(tài)振型等表征參數(shù)[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(fā)生共振現(xiàn)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(chǎn)生吊鉤斷裂的危險，引發(fā)安全事故[9-10]。

2.2 吊鉤模態(tài)分析提取結(jié)果

由機械結(jié)構(gòu)模態(tài)分析理論可知，低階模態(tài)對振動系統(tǒng)的動態(tài)特性響應有很大的影響，而高階模態(tài)對振動系統(tǒng)的動態(tài)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(tài)的頻率和振型，如表2所示。模態(tài)振型如圖3~圖6所示。

圖6 第4階非剛體模態(tài)振型

表2 起重吊鉤的前4階非剛體模態(tài)的頻率和振型

圖3 第1階非剛體模態(tài)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(chǎn)生較大的振幅，將大大縮短起重吊鉤的使用壽命；因此在設(shè)計時，應盡量避免產(chǎn)生“共振”現(xiàn)象。2）第1、4階模態(tài)振型表征起重吊鉤在水平面內(nèi)的變形，容易受到水平載荷如隨機風載荷、回轉(zhuǎn)慣性力以及吊載的左右擺動的影響；第2階模態(tài)振型表征起重吊鉤在豎直平面內(nèi)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(tài)振型

圖5 第3階非剛體模態(tài)振型

3 結(jié)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(yōu)化設(shè)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(jié)果表明，起重吊鉤最大的等效應力出現(xiàn)在吊鉤內(nèi)側(cè)，在結(jié)構(gòu)的許可應力范圍內(nèi)，開孔后起重吊鉤應力與變形變化不大，但質(zhì)量卻減少了8.66%；在頻繁的起重移動作業(yè)過程中，吊鉤容易受到交變載荷作用，容易發(fā)生疲勞破壞，在設(shè)計中應該特別注意，該結(jié)果為今后的起重吊鉤裝置的設(shè)計提供了理論借鑒。