關(guān)于基于SolidWo) rks起重機(jī)吊鉤的有限元的研究
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作者：張毅
吊鉤通常與滑輪組的動(dòng)滑輪組合成吊鉤組，與起升機(jī)構(gòu)的撓性構(gòu)件聯(lián)系在一起，起到連接起重機(jī)和重物的作用。吊鉤的斷裂可能導(dǎo)致重大的人身和設(shè)備的安全事故，因此，吊鉤的安全性能不容忽視。應(yīng)用現(xiàn)代有限元分析方法可以對(duì)吊鉤強(qiáng)度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)吊鉤的最大受力位置，找出其應(yīng)力分布規(guī)律和變形位置，為吊鉤的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
SolidWorks軟件是一款基于Windows系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的三維CAD軟件，其操作簡(jiǎn)單易學(xué)、功能也比較強(qiáng)大，很多高校、研究所和企業(yè)開(kāi)始用此軟件進(jìn)行產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)。SolidWorks Simulation是一款基于有限元的設(shè)計(jì)分析軟件，能對(duì)零件和裝配體進(jìn)行靜力分析。本文采用SolidWorks 2012對(duì)某吊鉤進(jìn)行三維建模和有限元分析。
1 建立幾何模型
在工程設(shè)計(jì)中，分析軟件在不斷地發(fā)展，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，尤其在進(jìn)行有限元分析時(shí)需建立有限元模型，如果零件的尺寸參數(shù)更改，還得重新建立有限元模型進(jìn)行分析，將導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期過(guò)長(zhǎng)。而直接建立產(chǎn)品的三維模型，可使產(chǎn)品趨于形象化、直觀化，避免了生成實(shí)物模型進(jìn)行驗(yàn)證，所以本文采用直接建立三維幾何模型的方法進(jìn)行有限元分析。先是根據(jù)已知的尺寸參數(shù)繪制草圖，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)、拉伸、放樣等特征工具完成零件三維幾何模型的建立。
本文選擇起重量20 t的起重機(jī)的吊鉤作為研究對(duì)象，按照吊鉤的標(biāo)準(zhǔn)確定吊鉤尺寸，然后完成草繪。吊鉤的草圖繪制結(jié)果如圖1所示，鉤身的截面形狀及尺寸如圖2所示。
在SolidWorks軟件中，采用將草繪圖形進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和放樣等特征操作，生成吊鉤實(shí)體模型，如圖3所示。
2有限元分析過(guò)程
在SolidWorks Simulation中生成新的算例，進(jìn)行有限元分析。
2.1 定義材料和加載材料
定義吊鉤的材料為Q345鋼，密度為p=7 700 kg/m3，彈性模量E一2.1×los MPa，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度為330 MPa。
2.2施加載荷和約束
由于受吊鉤形狀的影響，整個(gè)吊鉤鉤身的受力并不是線性的，分析計(jì)算要占比較大的資源，因此對(duì)鉤身的受力進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立有限元模型，會(huì)使過(guò)程變得簡(jiǎn)單，縮短計(jì)算的時(shí)間。吊鉤的上部為螺紋聯(lián)接，可以假定為固定部件，以便于求解，吊鉤的鉤身彎曲部分的內(nèi)側(cè)受垂直向下的力，大小為200 000 N。
吊鉤組中吊鉤橫梁等零部件可以調(diào)整吊鉤工作時(shí)的偏斜，載荷可以看作為向下的拉應(yīng)力。
2.3有限元模型的建立
在SolidWorks Simulation中，采用二階四面體實(shí)體單元?jiǎng)澐謱?shí)體幾何體，每個(gè)單元有10個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度。本分析采用實(shí)體網(wǎng)格，二階高品質(zhì)單元，共得到13 390個(gè)節(jié)點(diǎn)、9 404個(gè)單元，其網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。
3.2 位移結(jié)果分析
Simulation分析得到的吊鉤位移分布云圖如圖6所示。由圖6可知，吊鉤的前端位移最大，為0. 503 5mm，方向向下。位移量較小，不會(huì)引起大的變形。
4結(jié)論
經(jīng)過(guò)上述有限元計(jì)算和分析，可以看出吊鉤的最大應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)表面，這足以說(shuō)明直接三維建模出來(lái)的幾何實(shí)體模型可以較好地反映出吊鉤的受力和位移分布情況。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，三維設(shè)計(jì)可能更智能、更簡(jiǎn)捷，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。
5摘要：以起重量20 t的起重機(jī)吊鉤作為研究對(duì)象，采用SolidWorks 2012建立吊鉤的三維模型，運(yùn)用Solicl-Works軟件中的Simulation插件對(duì)三維模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出吊鉤結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移和應(yīng)變?cè)茍D，進(jìn)而得出吊鉤的最大應(yīng)力和位移值，找到其最大受力和變形位置，得到滿足強(qiáng)度要求的吊鉤模型，為吊鉤的三維設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。
