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基于ANSYS的起重机吊钩优化设计

时间:2017-07-27??来源:中国破碎机网??作者:[db:作者]??浏览次数:958

  根据实际工况对其约束与载荷作了有效的处理,并对其强度进行了有限元分析,得到了吊钩应力和位移的分布规律,揭示了吊钩工作的危险截面。并在有限元分析的基础上,在保证吊钩安全的前提下,对吊钩的厚度进行了优化,将优化前后的结果进行了比较。优化后吊钩的尺寸更加合理,并达到了减轻吊钩重量的目的。分析和优化结果对起重机吊钩的结构设计提供了科学合理的依据。

  吊钩是起重机上应用最广泛的一种取物装置,也是起重机的主要承载部件,吊钩的强度及其设计的合理性对起重机工作的安全性至关重要。因此,应用现代有限元分析方法,对吊钩的强度进行分析,发现吊钩的最大变形位置,揭示其应力分布规律和危险截面,为吊钩强度的研究设计提供理论依据,具有重要的工程意义。

  2有限元模型的建立与分析2.1吊钩的结构及参数以实际生产中一台工作级别M5的50t/10t桥式起重机主起升的直柄吊钩为例,其结构形式简图,如所示。其参数为:单钩,钩号为40,强度等级为M,钩身水平截面最大厚度为200mm,竖直截面最大厚度为170mm,柄部直径为150mm.吊钩材料为DG20Mn,材料的屈服点为333MPa,抗拉强度510MPa,泊松比0.3,弹性模量E=2.1ellPa,密度为7860kg/m3.钩身最大许用弯曲应力:吊钩直杆部分最大许用拉应力:瓯吊钩结构简罔2.2吊钩有限元模型的建立某些过渡转角几何特征对强度的影响很小,在Ansys中会增加畸变网格的产生几率,增加计算时间,影响计算精度,因此建模时应予以简化。单元类型选用六面体结构单元Solidl85.吊钩直柄上端部分添加约束,约束其全部自由度。

  由于实际吊装过程中,吊重会发生摆动,使得悬吊重物的钢索拉力与垂直方向产生一定的夹角,根据工程实际及浮吊规程,此夹角应控制在30°左右。因此,吊钩满载达到最大起重量50t,且钢丝绳拉力偏角为30°时,吊钩处于最不利载荷的极限工况。

  取悬吊重物的钢索直径D=28mm,即载荷的作用面区段约为D与吊钩中间竖直截面最大厚度的乘积。通过对吊钩中间竖直平面两侧各30°作用面施加面均布载荷的方法,来模拟悬吊货物的钢索对吊钩的作用载荷。

  网格划分、添加约束、施加面载荷后得。

  有限元模型,如所示。

  2.3求解结果及分析吊钩的变形图,如Q所示。由该图可知,吊钩受力后有一定幅度的变形,其最大变形为0.925mm.吊钩的应力分布图,如⑥所示。由可知:①吊钩的最大应力发生在钩身主弯曲截面(水平截面)内侧,且最大应力为157MPa.吊钩钩身主弯曲截面(水平截面)外侧的最大应力约为87MPa,皆小于许用应力214.84MPa.(2)吊钩钩身在竖直截面内应力也较大,为另一危险截面,其最大应力约为104MPa.(3)吊钩直杆部分最大拉应力为69.6MPa,小于许用应力102MPa.所以,实际分析所得应力值远小于材料的屈服极限,应力余量大,说明吊钩是很安全的,可以进于优化。

  3吊钩的优化在吊钩所受载荷力大小和安全系数都满足要求的前提下,可以减小吊钩的最大厚度和直柄直径来进行结构尺寸优化,将水平截面最大厚度从200mm减少到180mm,竖直截面最大厚度从170mm减少到155mm,柄部直径从150mm减少到135mm.此时施加的面载荷大小约为:对优化后的吊钩重新建模,在约束不变的情况下,对其再次进行有限元分析,计算分析结果,如所示。

  U0优化后吊钩应力图阁4优化后分析结果从、中可以看出,此时新吊钩钩身主弯曲截面(水平截面)内侧最大应力为182MPa竖直截面最大应力为122MPa,都小于许用应力214.84MPa.吊钩直杆部分最大拉应力增大为81MPa,小于许用应力102MPa.吊钩的最大变形为1.066mm.所以,优化后的吊钩满足强度要求。而且,由PROE建立的三维模型进行质量属性评估,可知吊钩的质量从313.79kg下降到263.05kg,减少了50.74Kg质量减轻了16.1%优化效果明显。

  4总结利用大型通用有限元软件ANSYS对一直柄单钩(GB/T10051.4-1988)进行了详细的静力学分析。与传统的分析方法相比,更准确的捕捉了吊钩的应力和位移分布情况,对工程实际生产具有重要的指导意义。并在满足吊钩强度和稳定性的前提下,对吊钩的厚度进行了结构尺寸优化,优化结果表明传统的吊钩厚度设计方法是保守的。

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