基于ANSYS Workbench的汽車起重機吊鉤總成有限元分析

朱節(jié)宏

（北海職業(yè)學(xué)院，廣西 北海536000）

0 引言

工程起重機械是各種工程建設(shè)中進(jìn)行起重作業(yè)的各種機械的總稱，其作為基建工程的高彈性品種，被廣泛地應(yīng)用在交通運輸、建筑工業(yè)、礦山油田、港口機場、水利水電、軍工及市政工程等行業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)中國工程機械工業(yè)協(xié)會工程起重機分會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2019年1-6月，國內(nèi)工程起重機總計銷量35470臺，其中汽車起重機銷售25494臺，占比71.87%，同比增長53.3%，其余機型（履帶式起重機、隨車起重機、輪胎起重機）總計銷售9 976臺，占比28.13%。汽車起重機銷量的強勁增長，也說明了其卓越的起重能力與機動性能，確實得到了工程起重行業(yè)的高度認(rèn)可，號稱“工程起重之王”，有過之而無不及。由此可見，提高汽車起重機的整機安全性與可靠性，對于工程自重行業(yè)顯得尤為重要，而吊鉤總成作為汽車起重機的關(guān)鍵零部件，其結(jié)構(gòu)的強剛度水平（在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力）將直接影響整機的安全性與可靠性。下面將以8 t汽車起重機吊鉤總成為例，通過設(shè)計建立吊鉤總成完整的三維模型，并對吊鉤總成組合件進(jìn)行有限元分析，主要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)線性靜力分析和相關(guān)計算，以保證吊鉤總成的結(jié)構(gòu)強度和靜剛度滿足整機安全的需要。

1 汽車起重機吊鉤總成的設(shè)計建模

1.1 汽車起重機技術(shù)參數(shù)

汽車起重機是一種裝在通用或?qū)Ｓ幂d重汽車底盤上的起重機，汽車專用底盤使其具備較高的行駛速度、良好的通過性能與機動性能，可快速實現(xiàn)設(shè)備的轉(zhuǎn)場[1-2]，并且起重范圍大，小到十噸以下，大到千噸以上，能很好地滿足各噸位流動式起重作業(yè)的需求。表1所示為某8 t汽車起重機的技術(shù)參數(shù)。

表1 某8 t汽車起重機技術(shù)參數(shù)

1.2 吊鉤總成的三維建模

汽車起重機整機結(jié)構(gòu)包括起升機構(gòu)、變幅結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、金屬臂架和汽車專用底盤等[3]。起升機構(gòu)是提升或下降貨件的工作機構(gòu)，是汽車起重機不可缺少的、最主要的，也是最基本的機構(gòu)；起升機構(gòu)主要由驅(qū)動裝置、傳動裝置、卷繞系統(tǒng)、制動系統(tǒng)及吊鉤總成等組成，吊鉤總成又是其中的關(guān)鍵部件。圖1為某8 t汽車起重機六繩吊鉤總成的三維模型，圖2為吊鉤總成的結(jié)構(gòu)組成，圖中序號1是滑輪組，2、3是吊鉤螺母和止推軸承、4是橫梁，5是吊鉤，6是拉板支架，7是滑輪軸，8是緊固件（螺栓、螺母及墊圈），這些零部件通過一定的裝配關(guān)系連接成一個組合體。

圖1 吊鉤總成的三維模型

圖2 吊鉤總成的結(jié)構(gòu)組成

2 汽車起重機吊鉤總成結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 吊鉤總成三維模型的簡化

在Creo3.0軟件中建立精確的吊鉤總成三維模型，總成各零部件之間的配合按照實際的位置關(guān)系進(jìn)行組裝。模型的簡化，包括去掉各種連接螺栓、螺母、墊圈、隔套、墊板和潤滑脂油杯，忽略各零部件的小倒角、小圓角和孔螺紋，簡化吊鉤螺母與止推軸承的結(jié)構(gòu)等，刪除掉的緊固件直接用實體特征代替[4]，而鋼絲繩與滑輪、拉板支架與連接桿、緊固件結(jié)合成實體。簡化后的某8 t汽車起重機吊鉤總成三維模型由吊鉤、橫梁、吊鉤螺母、拉板支架、滑輪組件和滑輪軸構(gòu)成，如下圖3所示。

圖3 某8 t汽車起重機吊鉤總成簡化模型

2.2 吊鉤總成結(jié)構(gòu)有限元分析

這里的結(jié)構(gòu)有限元分析，即結(jié)構(gòu)靜力分析，解靜態(tài)載荷下機械結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形的有效手段，是在不考慮慣性和阻尼影響的情況下，計算機械結(jié)構(gòu)在施加固定載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。結(jié)構(gòu)靜力分析大體流程分為建立模型、施加邊界條件和載荷、求解、結(jié)果后處理與分析等步驟[5-6]。吊鉤總成結(jié)構(gòu)設(shè)計主要通過CAD/CAM/CAE設(shè)計軟件Creo實現(xiàn)（零部件的設(shè)計與裝配件的組裝），有限元分析則是利用ANSYS Workbench的結(jié)構(gòu)靜力分析模塊，該分析旨在獲取在一定載荷作用下吊鉤總成結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力和總變形的情況，以此作為結(jié)構(gòu)安全性的參考和優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)。

（1）材料屬性

在ANSYS Workbench工程數(shù)據(jù)中添加吊鉤總成需要分析的各零部件材料，相應(yīng)的材料參數(shù)包括楊氏模量、密度、泊松比和屈服強度等。吊鉤總成結(jié)構(gòu)的有限元分析主要是獲得吊鉤、橫梁、拉板、滑輪軸及吊鉤螺母這五個零部件的最大等效應(yīng)力與最大總變形量，所以需要分析前必須對這些零部件進(jìn)行材料賦予，具體材料屬性如表2所示。

表2 材料屬性

（2）創(chuàng)建接觸、連接和劃分網(wǎng)格

各零部件的材料屬性賦予設(shè)定后，在滑輪組與滑輪軸，橫梁端部與拉板支架孔，吊鉤螺母與橫梁軸承孔座，吊鉤鉤柄與吊鉤螺母之間創(chuàng)建Bonded或No Separation接觸約束，對滑輪組連接主臂位置創(chuàng)建Fixed與大地固定連接，其余接觸由系統(tǒng)自動識別。接著根據(jù)模型外形尺寸設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)，這里采用六面體網(wǎng)格形式，1 mm大小的網(wǎng)格尺寸對吊鉤總成模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，圖4是劃分網(wǎng)格后的吊鉤總成（橫梁和拉板支架連接部位）。

圖4 劃分網(wǎng)格后的吊鉤總成

（3）施加載荷及求解

該型汽車起重機的最大起重量為8 000 kg，根據(jù)GB/T3811-2008起重機設(shè)計規(guī)范，起重機靜載試驗載荷取最大起重量的1.25倍，所以實際施加載荷為10 000 kg（1.25 × 8 000 kg），并且以掛載鋼絲繩與吊鉤鉤底的面-面接觸形式施加。表3所示為鋼絲繩安全荷重表，以0°吊單頭為鋼絲繩與吊鉤的掛載形式，應(yīng)選擇鋼絲繩最小直徑為32 mm，施加載荷吊鉤鉤槽危險斷面位置的受力面積等于該鉤底掛載位置有效長度（70 mm）與鋼絲繩直徑（32 mm）的乘積，約為0.07 m×0.032 m=0.002 24 m2，所以實際施加在吊鉤鉤底面上載荷Pressure為10 000×9.8/0.00224=43.75 MPa，方向為吊鉤鉤底面法向向下（-Y向）。

表3 鋼絲繩安全荷重表（6倍）噸

經(jīng)過ANSYS Workbench求解，吊鉤總成各組成零部件最大應(yīng)力和最大變形如表4所示，等效應(yīng)力云圖如圖 5、7、9、11、13 所示，總變形云圖如圖 6、8、10、12、14所示。等效應(yīng)力方面，吊鉤最大等效應(yīng)力84.76 MPa發(fā)生在鉤底內(nèi)側(cè)壁，橫梁最大等效應(yīng)力64.47 MPa發(fā)生在孔口與吊鉤螺母接觸邊緣，吊鉤螺母最大等效應(yīng)力24.57 MPa發(fā)生在與橫梁接觸面的邊緣，拉板支架最大等效應(yīng)力16.20 MPa發(fā)生在與滑輪軸、橫梁配合孔處，滑輪軸最大等效應(yīng)力6.92 MPa則發(fā)生在與拉板支架接觸面位置，這些最大等效應(yīng)力值均小于所相應(yīng)材料的許用應(yīng)力（見表2），說明該吊鉤總成各零部件的結(jié)構(gòu)強度是足夠的。

在總變形方面，吊鉤最大總變形0.58 mm發(fā)生在鉤尖部分，橫梁最大總變形0.29 mm發(fā)生在側(cè)邊圓弧面，吊鉤螺母最大總變形0.29 mm發(fā)生在與橫梁接觸面外緣，拉板支架最大總變形量0.29 mm發(fā)生在拉板側(cè)邊，滑輪軸最大總變形0.29 mm發(fā)生在軸頭位置，結(jié)合最大等效應(yīng)力數(shù)值，通過計算得知，以上各零部件的靜剛度（材料應(yīng)力/應(yīng)變）遠(yuǎn)小于材料許用剛度（見表2楊氏模量），也就是說，吊鉤總成各零部件的最大總變形都在材料允許的變形范圍之內(nèi)，剛度是達(dá)到設(shè)計要求的。

此外，從各部件的最大等效應(yīng)力值與相應(yīng)材料許用應(yīng)力值對比分析可得，該吊鉤總成的結(jié)構(gòu)還有進(jìn)一步設(shè)計優(yōu)化空間的，至少在滿足機械強度的前提下，整體自重是可以降低的，這對節(jié)約鋼材，降低整機生產(chǎn)制造成本，大有裨益。

表4 吊鉤總成各零部件最大等效應(yīng)力（MPa）和最大總變形（mm）

圖5 吊鉤等效應(yīng)力云圖

圖6 吊鉤總變形云圖

圖7 橫梁等效應(yīng)力云圖

圖8 橫梁總變形云圖

圖9 吊鉤螺母等效應(yīng)力云圖

圖10 吊鉤螺母總變形云圖

圖11 拉板支架等效應(yīng)力云圖

圖12 拉板支架總變形云圖

圖13 滑輪軸等效應(yīng)力云圖

圖14 滑輪軸總變形云圖

3 結(jié)語

本文使用Creo軟件對某8 t汽車起重機吊鉤總成進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)化建模，并在模型簡化的基礎(chǔ)上，對汽車起重機吊鉤總成組合件進(jìn)行了基于ANSYS Workbench的有限元分析，結(jié)構(gòu)線性靜力分析求解獲取到的吊鉤總成各零部件的等效應(yīng)力云圖和總變形云圖顯示，吊鉤總成各零部件的最大等效應(yīng)力值均小于相應(yīng)材料的許用應(yīng)力值，最大總變形量也在材料允許的變形范圍內(nèi)，且發(fā)生部位都符合設(shè)計預(yù)期，吊鉤總成的結(jié)構(gòu)是安全的，等效應(yīng)力云圖與總變形云圖也是指導(dǎo)各零部件開展結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計和優(yōu)化的重要參考。