基于ANSYS的起重機吊鉤優化設計

 

    吊鉤是起重機上應用*廣泛的一種取物裝置，也是起重機的主要承載部件，吊鉤的強度及其設計的合理性對起重機工作的安全性至關重要。因此，應用現代有限元分析方法，對吊鉤的強度進行分析，發現吊鉤的*大變形位置，揭示其應力分布規律和危險截面，為吊鉤強度的研究設計提供理論依據，具有重要的工程意義。

 

    2有限元模型的建立與分析2.1吊鉤的結構及參數以實際生產中一臺工作級別M5的50t/10t橋式起重機主起升的直柄吊鉤為例，其結構形式簡圖，如所示。其參數為：單鉤，鉤號為40，強度等級為M，鉤身水平截面*大厚度為200mm，豎直截面*大厚度為170mm，柄部直徑為150mm.吊鉤材料為DG20Mn，材料的屈服點為333MPa，抗拉強度510MPa，泊松比0.3，彈性模量E=2.1ellPa，密度為7860kg/m3.鉤身*大許用彎曲應力：吊鉤直桿部分*大許用拉應力：甌吊鉤結構簡罔2.2吊鉤有限元模型的建立某些過渡轉角幾何特征對強度的影響很小，在Ansys中會增加畸變網格的產生幾率，增加計算時間，影響計算精度，因此建模時應予以簡化。單元類型選用六面體結構單元Solidl85.吊鉤直柄上端部分添加約束，約束其全部自由度。

 

    由于實際吊裝過程中，吊重會發生擺動，使得懸吊重物的鋼索拉力與垂直方向產生一定的夾角，根據工程實際及浮吊規程，此夾角應控制在30°左右。因此，吊鉤滿載達到*大起重量50t，且鋼絲繩拉力偏角為30°時，吊鉤處于*不利載荷的極限工況。

 

    取懸吊重物的鋼索直徑D=28mm，即載荷的作用面區段約為D與吊鉤中間豎直截面*大厚度的乘積。通過對吊鉤中間豎直平面兩側各30°作用面施加面均布載荷的方法，來模擬懸吊貨物的鋼索對吊鉤的作用載荷。

 

    網格劃分、添加約束、施加面載荷后得。

 

    有限元模型，如所示。

 

    2.3求解結果及分析吊鉤的變形圖，如Q所示。由該圖可知，吊鉤受力后有一定幅度的變形，其*大變形為0.925mm.吊鉤的應力分布圖，如⑥所示。由可知：①吊鉤的*大應力發生在鉤身主彎曲截面（水平截面）內側，且*大應力為157MPa.吊鉤鉤身主彎曲截面（水平截面）外側的*大應力約為87MPa，皆小于許用應力214.84MPa.（2）吊鉤鉤身在豎直截面內應力也較大，為另一危險截面，其*大應力約為104MPa.（3）吊鉤直桿部分*大拉應力為69.6MPa，小于許用應力102MPa.所以，實際分析所得應力值遠小于材料的屈服極限，應力余量大，說明吊鉤是很安全的，可以進于優化。

 

    3吊鉤的優化在吊鉤所受載荷力大小和安全系數都滿足要求的前提下，可以減小吊鉤的*大厚度和直柄直徑來進行結構尺寸優化，將水平截面*大厚度從200mm減少到180mm，豎直截面*大厚度從170mm減少到155mm，柄部直徑從150mm減少到135mm.此時施加的面載荷大小約為：對優化后的吊鉤重新建模，在約束不變的情況下，對其再次進行有限元分析，計算分析結果，如所示。

 

    U0優化后吊鉤應力圖閣4優化后分析結果從、中可以看出，此時新吊鉤鉤身主彎曲截面（水平截面）內側*大應力為182MPa豎直截面*大應力為122MPa，都小于許用應力214.84MPa.吊鉤直桿部分*大拉應力增大為81MPa，小于許用應力102MPa.吊鉤的*大變形為1.066mm.所以，優化后的吊鉤滿足強度要求。而且，由PROE建立的三維模型進行質量屬性評估，可知吊鉤的質量從313.79kg下降到263.05kg，減少了50.74Kg質量減輕了16.1%優化效果明顯。

 

    4總結利用大型通用有限元軟件ANSYS對一直柄單鉤（GB/T10051.4-1988）進行了詳細的靜力學分析。與傳統的分析方法相比，更準確的捕捉了吊鉤的應力和位移分布情況，對工程實際生產具有重要的指導意義。并在滿足吊鉤強度和穩定性的前提下，對吊鉤的厚度進行了結構尺寸優化，優化結果表明傳統的吊鉤厚度設計方法是保守的。