有限元分析在吊具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

中國南車戚墅堰機(jī)車有限公司 (江蘇常州 213011)譚曉麗

目前，在起重吊裝機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，工程設(shè)計(jì)人員采用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法一般有兩種:一是按照經(jīng)驗(yàn)公式確定構(gòu)件的主要幾何尺寸，然后根據(jù)構(gòu)件幾何形狀對構(gòu)件進(jìn)行簡化，按照彈性曲梁理論進(jìn)行驗(yàn)算，簡稱經(jīng)驗(yàn)算法;二是建立構(gòu)件的三維實(shí)體模型，使用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。

在工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)以上兩種算法存在諸多弊病:兩種方法都是以最大計(jì)算應(yīng)力不超過材料的屈服極限，并有一定的安全系數(shù)儲備為原則，這樣對于使用頻率低的起重設(shè)備而言相對保守，自重偏大;經(jīng)驗(yàn)算法對設(shè)計(jì)計(jì)算人員的模型簡化能力要求較高，模型簡化的不當(dāng)有可能導(dǎo)致危險(xiǎn)截面被忽略，而且由于危險(xiǎn)截面的不明確性，導(dǎo)致驗(yàn)算較為繁瑣;有限元算法的結(jié)果受構(gòu)件單元?jiǎng)澐值臄?shù)量及質(zhì)量的影響較大，同時(shí)奇異單元、應(yīng)力集中的存在對結(jié)果也有著較大影響，所以對計(jì)算結(jié)果正確性的判定較難。

吊具的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法多采用以力學(xué)和數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的半理論半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、類比法和直覺法等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是在已知工況和負(fù)載的前提下依據(jù)理論經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)手冊完成強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性校核及機(jī)構(gòu)尺寸的計(jì)算，而對于吊具的實(shí)際工作性能在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行全面的了解比較困難。而且存在設(shè)計(jì)周期長、反復(fù)多、精度差、成本高等缺點(diǎn)。這種半理論半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，要從根本上提高專用吊具的性能，對其進(jìn)行優(yōu)化，顯然存在很大的局限性，難以滿足企業(yè)對日益大型化的專用吊具使用需求。

這一問題隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析技術(shù)的不斷發(fā)展有所改善，有限元分析在機(jī)械設(shè)計(jì)中所起的作用也越來越重要，利用軟件對吊具進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，完成實(shí)體建模后加載實(shí)際工況進(jìn)行有限元分析，通過有限元軟件，我們可以對零件的強(qiáng)度、剛度等性能指標(biāo)進(jìn)行模擬分析，對吊具的應(yīng)力分布和形變情況作定性的認(rèn)識，為吊具結(jié)構(gòu)的改良與優(yōu)化提供理論依據(jù)，并指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員對零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到以最小的成本，滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求。

本文介紹了凸輪軸起吊吊具的設(shè)計(jì)過程，在結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上對重要零部件運(yùn)用Pro/E 建模和ANSYS 分析實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，最終完成零件三維建模。這一設(shè)計(jì)思想在提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率的同時(shí)也突出了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析對起吊裝備設(shè)計(jì)的重要輔助作用。

極限狀態(tài)法同有限元法相結(jié)合，由有限元法確定危險(xiǎn)截面，極限狀態(tài)法進(jìn)行計(jì)算，并可用于小安全系數(shù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度余量復(fù)核復(fù)算。在吊裝使用過程中，應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)件的無損探傷檢查，若發(fā)現(xiàn)裂紋或缺陷應(yīng)立即停止使用。

1.吊具三維模型的建立

圖1

圖2

本文研究的是凸輪軸吊具，凸輪軸外形如圖1所示，當(dāng)生產(chǎn)中流轉(zhuǎn)、吊運(yùn)時(shí)需采用專用的吊具，其在Pro/E 中建立的吊具三維模型如圖2 所示。如圖吊具由吊梁和吊鉤焊接而成，單根凸輪軸重量不超過60kg，所以設(shè)定吊鉤的起吊重量為70kg，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定吊具的吊鉤選用φ16mm 的圓鋼彎制而成，為了確保吊具的使用安全，需對吊具的受力變形及危險(xiǎn)截面情況進(jìn)行精確分析，采用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行靜力分析，計(jì)算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)。它不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)受隨時(shí)間變化的載荷的情況，但它可以計(jì)算那些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響(如重力、離心力)，以及可以近似為等價(jià)靜力作用的隨時(shí)間變化的載荷。通過靜力分析，我們可以得到結(jié)構(gòu)在載荷作用下的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。

2.基于有限元的吊具結(jié)構(gòu)分析與改進(jìn)

(1)模型建立與剖分 應(yīng)用ANSYS 對吊具進(jìn)行靜力分析，首先將在Pro/E 中建立的三維模型導(dǎo)入ANSYS 的仿真環(huán)境，應(yīng)用其中的Design Simulation 模塊對零件進(jìn)行剛度、強(qiáng)度分析。流程為定義材料屬性、劃分網(wǎng)格、施加載荷和邊界條件，最終根據(jù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖和變形云圖檢測結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度情況。Pro/E 中建立的三維模型導(dǎo)入有限元軟件ANSYS 中如圖3a 所示，采用Solid 187 單元對鉗爪進(jìn)行剖分，共得到11 033 個(gè)有限元單元，剖分后的有限元模型如圖3b 所示。

圖3 吊具模型

(2)吊具有限元分析 按圖3a 所示對吊具施加約束和載荷，吊具全部選用Q235A 碳素結(jié)構(gòu)鋼，Q235A 鋼的屈服強(qiáng)度為:σs=225 MPa，載荷施加條件:70kg，吊具自重忽略。吊具的起吊孔約束和載荷施加情況如圖4 所示在兩個(gè)吊鉤上施加力為:700N，并在圖示陰影區(qū)域施加一個(gè)無摩擦的約束。進(jìn)行靜力分析求解得到施加70kg 的力時(shí)應(yīng)力云圖和變形云圖如圖4 所示。

圖4

危險(xiǎn)截面位于圖中箭頭所指截面。通過分析在上述狀態(tài)下吊具的最大應(yīng)力在吊梁的中間部位及吊鉤的彎曲部位。為防止吊具變形過大產(chǎn)生斷裂。對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

(3)吊具結(jié)構(gòu)改進(jìn) 根據(jù)圖4 的分析結(jié)果，結(jié)合觀察吊具模型，發(fā)現(xiàn)吊梁的起吊孔處是直線和圓弧的相交連接，該類連接由于過渡不均勻容易產(chǎn)生應(yīng)力集中;另外，吊鉤直徑偏小。

對現(xiàn)有吊具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn):吊具起吊孔處采用直線、圓弧相切連接，以避免應(yīng)力集中。改進(jìn)后的吊具結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 改進(jìn)后吊具結(jié)構(gòu)模型

采用相同的方法對改進(jìn)后的吊具結(jié)構(gòu)施加相同的約束與載荷并進(jìn)行有限元分析，得到吊具應(yīng)力分布如圖6 所示。

圖6

由圖6 可以看出，改進(jìn)后的吊具其工作過程中的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在吊具上段與中部圓形開口相接處，應(yīng)用理論計(jì)算得到危險(xiǎn)截面的最大應(yīng)力值。

此截面的抗彎截面系數(shù)為

強(qiáng)度校核計(jì)算:

如圖7a 所示，截取吊鉤最大應(yīng)力截面作受力分析，其中彎矩為:M=350×82.5=28 875N·mm。

如圖7c 所示，在B 截面上彎矩M 產(chǎn)生的最大彎曲應(yīng)力為:

吊具最大應(yīng)力小于吊鉤材料的許用應(yīng)力，與原先結(jié)構(gòu)相比，大大提高了吊具在夾吊作業(yè)中的強(qiáng)度保證。

圖7

3.結(jié)語

以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，結(jié)合CAD 技術(shù)建立模型，用有限元分析思想對專用吊具進(jìn)行實(shí)際工況的受力分析，得出吊具重要零部件在靜態(tài)工況下的應(yīng)力云圖和變形云圖，為其安全可靠性提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)吊具的參數(shù)化設(shè)計(jì)建模與分析，從而完成吊具的設(shè)計(jì)、建模、分析、改良、優(yōu)化等5 個(gè)步驟的無縫鏈接，簡化傳統(tǒng)專用吊具的設(shè)計(jì)過程并提高生產(chǎn)率。

利用Pro/E 軟件建立三維實(shí)體模型和利用ANSYS 軟件進(jìn)行有限元分析，可獲得準(zhǔn)確的應(yīng)力、應(yīng)變場，具有模型準(zhǔn)確、計(jì)算結(jié)果精確、直觀、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。利用該軟件可以方便地改善零件結(jié)構(gòu)，改善應(yīng)力分布，優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，提高零件安全系數(shù)。同時(shí)，該方法既可以用來設(shè)計(jì)關(guān)鍵零件具體結(jié)構(gòu)，也可以用來校核已設(shè)計(jì)產(chǎn)品關(guān)鍵零件的強(qiáng)度和剛度，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和先進(jìn)性，對發(fā)展專用吊具設(shè)計(jì)開發(fā)水平，提高企業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)效率，降低成品板材的報(bào)廢率等，具有一定的經(jīng)濟(jì)和理論研究意義。