合金鋼弓形卸扣類產(chǎn)品受力狀態(tài)的模擬分析及研究

合金鋼弓形卸扣類產(chǎn)品受力狀態(tài)的模擬分析及研究

文/王秀剛，張?bào)w學(xué)，張來(lái)星·山東神力索具有限公司

弓形卸扣產(chǎn)品外形不規(guī)則，難以利用傳統(tǒng)的方法分析計(jì)算得到產(chǎn)品的危險(xiǎn)截面和變形量等信息。本文運(yùn)用ANSYS WORKBENCH模擬產(chǎn)品在真實(shí)情況下的工況，考察產(chǎn)品的變形應(yīng)力，變形量等性能參數(shù)。將分析得到的數(shù)據(jù)與產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確定前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性，確保產(chǎn)品安全可靠，以達(dá)到縮短研發(fā)設(shè)計(jì)周期、節(jié)約研發(fā)成本的目的。

山東神力索具有限公司是生產(chǎn)制造各類鍛造索具產(chǎn)品的高新技術(shù)企業(yè)，主要生產(chǎn)各類高檔索具、索具配件及其他鍛件，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于船舶、碼頭、礦山、油田、森林采伐、工礦企業(yè)、體育場(chǎng)館等場(chǎng)所的起重、吊裝、運(yùn)輸?shù)裙ぷ?。公司研發(fā)生產(chǎn)的模鍛合金鋼弓形卸扣與早期的U形卸扣相比，具有更強(qiáng)的承載力，更精美的外觀，因此得到了廣泛的應(yīng)用。SLR-756 G8合金鋼弓形卸扣產(chǎn)品具有重量輕、承載力大、安全系數(shù)大等特點(diǎn)。產(chǎn)品在研發(fā)過(guò)程中，借助現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用ANSYS WORKBENCH模擬產(chǎn)品的受力情況，確保產(chǎn)品的安全性能，為產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)、檢測(cè)提供理論依據(jù)。

產(chǎn)品基本信息

本文對(duì)神力索具生產(chǎn)的SLR-756 G8 7/8規(guī)格螺栓銷合金鋼弓形卸扣產(chǎn)品的受力狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，其裝配圖、零件圖見(jiàn)圖1、2，產(chǎn)品及材料具體性能參數(shù)見(jiàn)表1、2。

圖1 弓形卸扣裝配圖

圖2 弓形卸扣零件圖

■ 表1 產(chǎn)品性能參數(shù)

■ 表2 材料性能參數(shù)

圖3 網(wǎng)格質(zhì)量報(bào)告

有限元分析計(jì)算

在ANSYS WORKBENCH中 選 擇STATIC STRUCTURAL分析模塊，定義好材料特性后建立產(chǎn)品的三維模型。在MODEL環(huán)境中，定義卸扣中的幾個(gè)接觸點(diǎn)。在實(shí)際工況中，止退銷不受力的作用，分析時(shí)抑制止退銷，這樣在后面的分析中不會(huì)對(duì)止退銷進(jìn)行分析，簡(jiǎn)化模型，減少運(yùn)算過(guò)程的計(jì)算量，提高仿真模擬的準(zhǔn)確性。根據(jù)實(shí)際的工況，卸扣實(shí)際使用中的幾個(gè)接觸的類型為：螺栓與孔為Bonded；螺母與卸扣體為NO Separation；螺栓與卸扣體為NO Separation；螺栓與螺母為Bonded。

根據(jù)產(chǎn)品外形特點(diǎn)，在ANSYS WORKBENCH中選取四面格網(wǎng)格中的PATCH INDEPENDENT方法，這種網(wǎng)格劃分方法能很好地劃分連接面之間的過(guò)渡區(qū)域，得到較好的網(wǎng)格劃分結(jié)果。圖3為合金鋼網(wǎng)格劃分結(jié)果及網(wǎng)格質(zhì)量報(bào)告，劃分的網(wǎng)格質(zhì)量較好，能滿足后續(xù)的分析要求。

卸扣使用時(shí)，卸扣體的內(nèi)底部一般跟鋼絲繩相連，螺栓中心部分也與鋼絲繩相連，與SLR-756 G8 7/8弓形卸扣配套使用的鋼絲繩的直徑為18cm，考慮到鋼絲繩在使用過(guò)程中的變形，故分析時(shí)選取直徑為12cm的圓，印記到螺栓和卸扣體上形成受力面。歐盟標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)此類產(chǎn)品的檢驗(yàn)有MPF檢測(cè)和BF破斷測(cè)驗(yàn)要求，前者的目的是檢驗(yàn)產(chǎn)品在2倍的工作載荷下的變形情況，變形率不超過(guò)1%，后者則是要求產(chǎn)品至少要達(dá)到5倍的工作載荷時(shí)才能斷裂。

受力模擬分析

MPF變形測(cè)試模擬

綜合考慮模型的受力情況，將螺栓上的受力面設(shè)為固定面，如圖4所示。在卸扣體的受力面上施加一個(gè)與受力面法向方向相反的力，2倍的工作載荷為19t，如圖5所示。

圖4 固定面的設(shè)定

圖6 應(yīng)力分布圖①

圖7 應(yīng)力分布圖②

從圖6、7可以看到，產(chǎn)品的最大應(yīng)力達(dá)到5896MPa，應(yīng)力集中發(fā)生在螺栓與卸扣體孔相接處的區(qū)域以及螺帽與卸扣體孔相接觸區(qū)域。在實(shí)際情況中，螺帽與卸扣體在力的作用下，螺栓被拉伸彎曲后，導(dǎo)致與卸扣體發(fā)生相互擠壓，出現(xiàn)較大的應(yīng)力。螺桿的橫截面受到彎矩跟剪切力的作用，在螺桿中間部分會(huì)受到較大的彎曲應(yīng)力，在固定面處彎曲應(yīng)力達(dá)到最大，達(dá)到2400MPa。卸扣體上的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在弓形扣橫向最大直徑和載荷施加處，最大應(yīng)力達(dá)到1965MPa。

對(duì)于弓形卸扣體，在豎直力的作用下，弓形部分在豎直方向上有被拉直的傾向，在橫向最大直徑這一區(qū)域的豎直方向上，截面積先由大變小，再由小變大，截面面積的變化導(dǎo)致產(chǎn)生較大的應(yīng)力。而在卸扣體底部，由于載荷直接施加在這里，這里的力是整個(gè)卸扣體上最大的，因此出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

變形是考察卸扣性能的另一個(gè)主要參數(shù)，分析中就體現(xiàn)在產(chǎn)品各個(gè)部分相對(duì)于固定點(diǎn)的位移。在實(shí)際運(yùn)用中，微小的變形不會(huì)影響卸扣的使用，但是當(dāng)變形達(dá)到一定值時(shí)，由于總的長(zhǎng)度發(fā)生了變化，有可能會(huì)導(dǎo)致意外事故的發(fā)生，或者過(guò)大的變形將導(dǎo)致與其配套的產(chǎn)品產(chǎn)生相互擠壓，以至于不能進(jìn)行拆卸，影響后續(xù)的使用，所以歐盟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了卸扣在2倍的載荷下應(yīng)有合理的變形范圍，變形要在公差范圍內(nèi)，而最大不能超過(guò)尺寸的1%。

圖8～11分別給出了卸扣的整體位移，X方向的位移，Y方向的位移，Z方向的位移。由總位移圖可知，工件在額定載荷下的最大位移發(fā)生在卸扣體的載荷施加處并延伸到卸扣體一側(cè)的橫向最大直徑處，最大位移達(dá)到1.2637mm，且位移沿著工件由載荷施加處向銷軸處逐漸遞減。在這里并不是最大變形的發(fā)生處，因?yàn)檫@里的位移是產(chǎn)品所有零件相對(duì)于固定面發(fā)生的位移疊加。由于在前面定義時(shí)，把螺栓的受力處設(shè)為固定面，軟件計(jì)算時(shí)就將這一部分固定，螺栓的其他部位的位移就相對(duì)于這一點(diǎn)發(fā)生，所以在總的位移圖中，螺栓沒(méi)有受力的部分反而發(fā)生了變形，這是由于設(shè)定的問(wèn)題，但是總的變形情況是與事實(shí)相符的。

在X方向上，弓形部分的位移最大。前面分析應(yīng)力時(shí)提到這里也是應(yīng)力集中的地方，弓形被拉直，也就是兩邊的弓形沿著X方向向上靠攏，左邊弓形的正向位移為0.19863mm，右邊的弓形負(fù)向位移為0.29735mm。

圖8 MPF測(cè)試時(shí)總體變形

圖9 MPF測(cè)試時(shí)X向變形

圖10 MPF測(cè)試時(shí)Y向變形

圖11 MPF測(cè)試時(shí)Z向變形

在Y方向上，最大變形發(fā)生在載荷施加處。在力的作用下，整個(gè)產(chǎn)品處于被拉伸的狀態(tài)，當(dāng)螺栓處被固定后，產(chǎn)品的所有Y向位移量積累到了產(chǎn)品的最低點(diǎn)——載荷施加處，變形量為0.98245mm。

在Z方向上，位移主要表現(xiàn)為產(chǎn)品在載荷的作用下截面的變化。正向最大變形發(fā)生在卸扣體的最上端，值為0.18919mm，負(fù)向最大變形發(fā)生在卸扣體的最下端，值為0.85275mm。

BF破斷載荷測(cè)試模擬

依據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，G8級(jí)卸扣類產(chǎn)品的破斷拉力為工作載荷的5倍，分析時(shí)在卸扣體的受力面上施加一個(gè)47.5t的力，其他設(shè)置與過(guò)程和MPF測(cè)試相同，分析結(jié)果如圖12、13所示。

根據(jù)分析結(jié)果可以看出，在5倍的工作載荷下，產(chǎn)品的局部最大應(yīng)力為13521MPa，應(yīng)力的分布與MPF的分布相同。最大變形約為3.80mm，最大的變形位置與MPF測(cè)試時(shí)相同。

模擬分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了SLR-756 G8 7/8弓形卸扣產(chǎn)品的尺寸，確定材料后，本文接著進(jìn)行了ANSYS分析，主要對(duì)卸扣體的MPF變形測(cè)試及BF破斷載荷測(cè)試進(jìn)行了模擬檢測(cè)，結(jié)合前面的MPF變形測(cè)試模擬分析結(jié)果，對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵的點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量。其中在總體變形中最大變形是卸扣體的弓形處，變形量為0.19863+0.29735≈0.49mm，模擬分析的結(jié)果在理論上滿足歐盟相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。BF破斷載荷測(cè)試模擬發(fā)現(xiàn)，在最小破斷載荷下，產(chǎn)品承載部位將產(chǎn)生比較明顯的塑性變形，達(dá)到3.8mm以上，避免了局部位置破壞性失效。

圖12 破斷拉力測(cè)試應(yīng)力圖

圖13 破斷拉力測(cè)試整體變形圖

圖14 MPF測(cè)試前

圖15 MPF測(cè)試后

圖16 BF破斷測(cè)試載荷施加曲線

圖17 BF破斷載荷測(cè)試后

后期安排實(shí)際生產(chǎn)SLR-756 G8 7/8合金鋼弓形卸扣的樣件，并選擇合理的熱處理工藝及機(jī)加工方式，并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行MPF變形測(cè)試，測(cè)試后的產(chǎn)品如圖14、15所示。由于材料屬性、熱處理方式、加工方式、試驗(yàn)方式及測(cè)量誤差等各方面因素的影響，理論值與實(shí)際測(cè)驗(yàn)值肯定會(huì)存在一定的誤差范圍，標(biāo)定弓形的內(nèi)圓直徑，將測(cè)試前與測(cè)試后的尺寸進(jìn)行了對(duì)比，測(cè)試前為56mm，測(cè)試后為55.6mm，變形微小，未達(dá)到最大設(shè)計(jì)變形量0.56mm，變形量在公差范圍內(nèi)。

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行BF破斷載荷測(cè)試，測(cè)試載荷施加曲線如圖16所示，載荷力最大時(shí)達(dá)到492.7kN，超過(guò)歐盟標(biāo)準(zhǔn)要求的5倍安全工作載荷值。測(cè)試后的產(chǎn)品如圖17所示，我們可以看到，產(chǎn)品有較大的塑性變形，但沒(méi)有破斷，同樣滿足歐盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量標(biāo)定處的直徑為49mm，其變化值為7mm，與模擬分析理論值有較大的誤差，考慮為實(shí)際生產(chǎn)、加工、熱處理及檢測(cè)過(guò)程中的影響因素導(dǎo)致的誤差存在。

結(jié)束語(yǔ)

本文論述了在高檔索具研發(fā)過(guò)程中，借助現(xiàn)代三維CAD設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用ANSYS WORKBENCH模擬分析軟件，對(duì)索具產(chǎn)品的受力情況進(jìn)行有限元分析，確保產(chǎn)品的安全性能，為產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)、檢測(cè)提供理論依據(jù)，同時(shí)通過(guò)小批量樣件試制，進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)驗(yàn)證的方式對(duì)模擬分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證確認(rèn)。試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果與模擬分析結(jié)果基本相符，證明了模擬分析的先進(jìn)性與科學(xué)性，從而達(dá)到降低新產(chǎn)品研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期的目的，滿足為客戶提供安全可靠、更加優(yōu)質(zhì)高檔索具產(chǎn)品的目標(biāo)。

王秀剛，工程師，技術(shù)中心主任，主要從事高檔吊索具產(chǎn)品研發(fā)及項(xiàng)目管理、復(fù)雜鍛造產(chǎn)品鍛造成形工藝研究、鍛件及鍛造模具熱處理工藝研究、高檔索具受力狀態(tài)有限元分析模擬及研究等工作。