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吊鉤是起重機的重要承載構(gòu)件，也是應(yīng)用最廣泛的一種取物裝置。由于除承受吊重外，還受到起升和制動時產(chǎn)生的沖擊載荷作用，吊鉤的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選用要求應(yīng)保證不會發(fā)生突然斷裂的危險。目前國內(nèi)對起重量小于500t的吊鉤機械性能進行了標(biāo)準(zhǔn)化，并對一些特殊吊鉤開展了強度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。日本的科研人員考慮到不同的載荷工況，利用有限元技術(shù)和PSO設(shè)計方法對吊鉤的尺寸形狀進行了優(yōu)化分析，優(yōu)化結(jié)果近似現(xiàn)有設(shè)計的錐形截面，西班牙科研人員從材料特性和鏡像顯微組織分析導(dǎo)致吊鉤失效的原因，加拿大某大學(xué)的科研人員將用于吊鉤設(shè)計的曲線梁理論一般化，提出了不但適用于矩形截面，也適用與雙梯形截面的計算公式。然后上述研究都以單鉤或雙鉤為研究對象，缺乏針對四爪吊鉤的相關(guān)研究報道。針對大型非標(biāo)準(zhǔn)化吊鉤設(shè)計問題，以某起重量2000t四爪吊鉤為研究對象，應(yīng)用有限元分析對吊鉤強度進行分析，揭示其應(yīng)力分布規(guī)律和危險截面，并討論了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計尺寸。
四爪吊鉤的吊鉤強度計算可參考文獻中雙鉤式鉤身的計算方法，主要考慮B-B和C-C危險截面和頭部直柄A截面，由于吊鉤的形狀復(fù)雜，曲面繁多，直接在有限元軟件中創(chuàng)建網(wǎng)格單元存在一定困難，因而先構(gòu)建三維模型，利用模型接口導(dǎo)入幾何信息以輔助完成網(wǎng)格劃分。通過Solidworks建立的吊鉤模型，如圖所示。具體建模的要點簡述如下：將吊鉤分為鉤尖、鉤身(變截面部分、等截面部幼、吊桿、光桿部分、螺紋連接部)等特征分別建模，并使用圓周陣列得到整體實體模型。鉤尖和變截面鉤身部分先繪制剖面草圖，接著繪制輪廓草圖，選取外輪廓線為開環(huán)引導(dǎo)線，使用放樣命令生成相應(yīng)特征。等截面鉤身部分與吊桿的圓角在圓周陣列前創(chuàng)建，四爪鉤身之間的圓角在圓周陣列后創(chuàng)建，皆選擇生成曲面與曲面之間圓角的選項。省略鉤尖部分和螺紋連接部吊桿，保留主要圓角特征，建立1/4實體模型作為計算吊鉤強度的輸出模型。通過Solidworks生成IGS中性文件并導(dǎo)入MSC.Patran，并注意保持單位一致。
吊鉤三維有限元模型，如圖所示。鉤身部分采用Tet4單元類型，長度為30mm，上部吊桿采用Wedge6單元類型，長度為3050mm，共劃分19476個節(jié)點，82220個單元。吊鉤選用了DG20Mn材料，密度p=7850kg/m3，彈性模量E=2.05xe5MPa，泊松比p=0.3。輸入材料特性，并將該屬性賦予給所建有限元模型。根據(jù)客戶的設(shè)計要求，除了需校核最大吊重2000t(單側(cè)鉤頭偏載50%)情況下的鉤身強度，還要計算單側(cè)鉤頭偏載75%和100%兩種工況。三種工況下的載荷作用大小，如表所示。其中關(guān)于載荷作用區(qū)域的確定，根據(jù)起重機使用規(guī)范，吊裝過程中鋼絲繩的拉力角度(與豎直方向夾角)一般在20-30°，因此取作用范圍為30°。邊界約束為定義XOY和YOZ的軸對稱面，限制吊桿上端面節(jié)點的下方向移動。
對三種工況的計算結(jié)果進行了如下比較分析：(1)工況最大合成應(yīng)力分別為111 MPa和232MPa，計算結(jié)果滿足許用應(yīng)力要求，吊鉤設(shè)計結(jié)構(gòu)強度校核合格。由于受到彎曲與剪切二力的合力，而吊鉤外側(cè)受壓應(yīng)力，內(nèi)側(cè)受拉應(yīng)力，最大應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)側(cè)彎曲處，與豎直方向呈20-45°范圍，區(qū)域大小約為(150x120)mm。從圖來看，最大應(yīng)力位與鉤體外表面，說明鋼絲繩掛在鉤身上所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力主要作用在外表面。接觸區(qū)域的應(yīng)力增加導(dǎo)致吊鉤局部產(chǎn)生一定的塑性變形區(qū)域，使接觸應(yīng)力向著均衡分布的趨勢變化，應(yīng)力集中得到緩解。選取XY平面鉤身圓弧外表面的各個節(jié)點，得到應(yīng)力分布清況，如圖所示。將應(yīng)力結(jié)果分各區(qū)域，給出了所對應(yīng)區(qū)域位置。從圖中可以看出，三種工況得到的應(yīng)力分布曲線一致，最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在II區(qū)域。I區(qū)域在接近豎直方向時應(yīng)力值快速上升，III區(qū)域在接近吊桿連接位置時的各工況計算結(jié)果相差不大。力雖然載荷作用在I區(qū)域，但三種工況得到的應(yīng)力較高位置主要集中在III，其中II區(qū)域夾角為45°左右。選取D-D截面載荷作用區(qū)域的各個節(jié)點，得到應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出，三種工況得到的應(yīng)力分布曲線一致，應(yīng)力值從Z=0位置平緩下降。
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