基于虚拟样机仿真的立式吊具曲杆瞬态应力分析

汪惠群

(上海电机学院 机械学院, 上海 201306)

基于虚拟样机仿真的立式吊具曲杆瞬态应力分析

汪惠群

(上海电机学院 机械学院, 上海 201306)

针对静力学无法正确分析立式吊具主要部件在复杂工况下的应力分布状况的问题，以立式吊具曲杆为例，运用UG、ADAMS和ANSYS的协同建模和仿真，建立了具有柔性体曲杆的立式吊具虚拟样机模型，实现立式吊具整个运行过程的动态仿真，进而获得了曲杆的动态应力变化和瞬时应力分布情况。为研制开发安全的吊具曲杆提供了一个有效途径。

立式吊具； 虚拟样机； 柔性体曲杆； 动态仿真； 瞬态应力分析

立式钢卷吊具属于冶金行业常用的起重设备，广泛应用于码头、仓库、钢厂等场所。它主要用于搬运热轧、冷轧的各种钢卷，属于特种起重设备中的一种。立式钢卷吊具零部件的设计和材料的选用将会直接关系到它的工作性能。曲杆是立式钢卷吊具中主要的部件。由于曲杆在工作中经常受到交变载荷的作用，曲杆从出现疲劳裂纹，到最终出现断裂，会造成严重的生产事故[1]。

在传统设计方法中，立式钢卷吊具的关键零件结构分析和机构的运动学分析彼此是孤立的。立式钢卷吊具中关键零件曲杆的强度与结构分析是在零件静态的边界条件下，通过载荷的施加，求解零件的应力应变[2-3]的过程。这种静态分析忽略了立式吊具大范围运动过程中零件的弹性变形。因此，出现了用多体动力学为基础的虚拟样机技术[4]解决此类问题。

本文以某钢厂“双臂立式吊具”作为研究对象，柔性化吊具中的关键零件曲杆[5]，采用ADAMS、UG、ANSYS 3个软件共同建立的具有柔性体曲杆的立式双臂钢卷吊具虚拟样机数字化模型，仿真分析立式吊具复杂的动态特性，并获得曲杆的实时载荷与运动状态。在ANSYS软件中进行钢卷吊具曲杆的瞬态动力学分析，为立式钢卷吊具及其主要部件的设计与优化提供科学依据。

1 双臂立式钢卷吊具的虚拟现实建模

实物双臂立式钢卷吊具的利用自身重力与杠杆原理实现钢卷夹取与松开的工作原理，以及吊具的结构简图与设计参数。① 在UG软件中建立立式钢卷吊具的主要零部件模型[6]。在确保零部件结构与重量不变的原则下，对零部件中的螺纹孔、销孔进行了简化处理。双臂立式钢卷吊具主要由吊杆、活动块、底座、内钳臂、内钳脚、拉杆、曲杆、外钳臂、外钳脚、吊钩等组成(见图1)。② 将在UG软件中建立的零部件模型，导入ADAMS软件。③ 在ADAMS软件中施加各零部件之间的约束和力，建立双臂立式钢卷吊具虚拟样机模型。样机中吊杆与2根拉杆之间、曲杆与外钳脚之间、拉杆与曲杆之间、内钳臂与曲杆之间添加铰接副，内钳脚与内钳臂采用固定连接，基座、外钳臂、内钳臂通过连接销(圆柱副)约束。外钳脚与外钳臂采用棱柱副约束；因此，外钳脚相对于外钳臂只能沿y方向移动。吊杆与前后2个吊钩用铰接副相连。吊杆与地面之间添加棱柱副，使吊具只能在垂直方向上的运动。

吊具样机中施加接触力与扭转力2种力。接触力包括：起吊时，内、外钳脚与钢卷的接触力；钢卷在被卸载时，与地面发生的接触力；吊钩与活动块之间的接触力；自锁机构开启时，底座与吊钩之间的接触力；外钳脚与外钳臂之间的接触力；拉杆与吊钩之间的接触力(以防吊钩转角过大)；底座与活动块碰撞中产生的接触力；用于曲杆限位的两根曲杆之间的接触力等[7-8]。扭转力包括：在活动块与吊钩之间设置扭簧，使活动块获得扭矩。为了顺利打开、闭合自锁机构，限制吊钩转动，在吊杆与吊钩之间设置扭簧。

为了实现立式吊具虚拟样机起吊钢卷、运送钢卷、卸载钢卷这些工作，在吊杆上向施加了采用5次多项式逼近海维塞阶梯函数与IF函数定义的立式钢卷吊具驱动力。通过UG、ADAMS建立的刚性立式吊具模型如图1所示。

图1 双臂立式钢卷吊具的结构图Fig.1 Construction of a double-arm vertical steel reel tong

经立式吊具虚拟样机仿真，该吊具样机能顺利地完成钢卷(40t)的起吊与卸载。立式吊具样机在起吊钢卷、卸载钢卷时的速度、加速度、位移以及外钳脚、内钳脚的夹持深度、夹持力与物理样机一致。因此，说明吊具建模成功。

图2是底座Mark_168点在垂直方向的位移图。

图2 底座mark_168在垂直方向的位移Fig.2 Position of the base mark_168 in the vertical direction

显然，位移曲线符合实物吊具起吊钢卷、卸载钢卷的工作过程。

2 建立柔性体曲杆立式吊具样机模型

2.1 柔性体曲杆模型的建立2.1.1 定义材料属性 本文以立式吊具曲杆为分析对象(见图3)。在ANSYS中建立曲杆的有限元模型[9-10]，材料选用是ZG270—500中碳铸钢，曲杆的尺寸约为：长3350mm,宽850mm,厚50mm。

图3 刚性曲杆Fig.3 Rigid curve rod

2.1.2 确定曲杆的3个外部节点 曲杆的3个孔是用于放置与其它零件连接的铰接销。为了使柔性体曲杆与刚性体曲杆实现相同的约束关系，确定曲杆的3个圆柱孔中的中心为曲杆的3个外部节点，在此节点上设置3个关键点。

2.1.3 对曲杆实体和关键点进行网格划分 对曲杆实体采用的是三维10节点四面体结构的SOLID92实体单元，采用自由网格的划分形式。对3个关键点用MASS21单元，采用自由网格的划分形式。网格划分后单元数1290，节点数 2920。

2.1.4 建立刚性区域 由于外部节点在圆柱孔的中心，不在曲杆实体上，为了使这3个外部节点与孔壁关联，在3个外部节点与孔壁之间建立刚性区域[11-12]。刚性区域是柔性体曲杆在ADAMS软件中与立式吊具其他零件连接的不变形区域。最终获得如图4所示的曲杆的有限元模型。

图4 柔性曲杆Fig.4 Flexible curve rod

将以上在ANSYS软件中建立的有限元模型以模态中性文件(.MNF文件)的形式输出，此文件包含的有限元模型的信息，如：材料、单元类型、外部节点、单元数、节点数等信息。

2.2 建立具有柔性曲杆的双臂立式吊具

在ADAMS软件中导入柔性曲杆模态中性文件，删除刚性体曲杆，精确地调整柔性体曲杆位置至原刚性体曲杆位置。根据实物双臂立式吊具的结构，将柔性体曲杆与拉杆在节点2920处，曲杆与内钳臂在节点2919处，曲杆与外钳臂铰接销在节点2918处建立铰接副约束。这样使它们的约束状态与刚性体曲杆吊具模型一致。建立的柔性体曲杆立式吊具模型如图5所示。

图5 柔性体曲杆吊具Fig.5 Flexible curve rod tong

根据实物双臂立式吊具的工作情况，将仿真总时间设置为38s。通过柔性体曲杆立式吊具的仿真，研究其速度、加速度及零部件的受力，并与刚性体曲杆吊具相比较。如果结果一致，说明柔性体曲杆立式吊具建模成功。图6是刚性体曲杆与柔性体在工作时所受的约束力，图6(a)是柔性体曲杆外部节点2920所受到的约束力。图6(b)是刚性体曲杆在同处所受到的约束力。两图形基本一致，这表明柔性体曲杆的双臂立式吊具模型建模正确。

图6 柔性体曲杆与刚性体曲杆所受的约束力Fig.6 Constraint force of rigid curve rod and flexible curve rod

3 双臂立式吊具曲杆瞬态应力分析

3.1 获得载荷步文件

根据实物钢卷吊具的工作状况，在ADAMS软件中对柔性体曲杆双臂立式吊具虚拟样机模型进行动力学仿真。双臂立式吊具从夹取钢卷，上升、平移、下降直至松开钢卷，ADAMS仿真时间为38s，仿真步数为192。仿真结束后输出柔性曲杆的载荷文件(.lod文件)。由于载荷变化较大，ADAMS自动输出包含了675个载荷工况的载荷文件。该载荷文件中含有曲杆在38s内3个外部节点在675个时间点的受力、角速度、角加速度、线性加速度等数据[13]。如：第1个载荷工况下节点2090在x、y、z方向上的力分别为-342.818N、124.604N、-107.992mN；x、y、z方向上的力矩分别为-13.1098mN·m、21.9158mN·m、0N·m；沿x、y、z方向上的角速度为0、0、0；沿x、y、z方向上的角加速度分别为193.593×10-4(°)/s2、-257.912×10-6(°)/s2、498.811×10-3(°)/s2；沿x、y、z方向上的线性加速度分别为-754.426mm/s2、247.235mm/s2、24.2762mm/s2。

3.2 求解载荷步文件

由于ANSYS软件瞬态动力学的Full法可以定义各种类型载荷，能计算出所有位移和应力；因此，本文采用此方法分析曲杆的应力应变状态。① 在ANSYS中设置总子步数，以防止默认的总子步数不足。② 导入曲杆模型，再设定瞬态动力学分析法的求解控制器，主要设定载荷步的最终时间与时间间隔。③ 加载由ADAMS输出的载荷文件。在加载前需要施加弱弹簧，弱弹簧可以促进求解的顺利进行，由于其刚度非常小，并不会对真实的载荷产生影响[14]。加载时，ANSYS能自动将载荷文件中每个时间点的外部载荷施加至柔性连接件的外部节点上。加载结束后求解所有加载的载荷步，即可较准确地获得该柔性件每个节点(共2920个节点)的应力-时间变化曲线，应变-时间变化曲线和柔性体在各个时刻的应力云图。

通过分析柔性曲杆上的各个节点所受的应力-时间变化趋势，表明各节点应力变化基本一致。各节点应力在吊具起吊钢卷时突然增大，松开钢卷时突然减小。图7所示为根据第3强度理论获得的节点1164的应力-时间变化曲线。

图7 吊杆质心的应力-时间曲线Fig.7 Stress-time curve on node 1164

由图7可见，节点1164所受的最大应力出现在7.9s时，即141步，是立式吊具夹取钢卷的时刻。

图8所示为曲杆在工作过程中出现最大应力时刻的应力云图，应力云图表明最大应力出现在在曲杆下端弯曲处，近节点2918附近。图中显示最大应力值为4.19MPa。根据机械设计手册，曲杆ZG270-500中碳铸钢的屈服强度为270MPa，安全系数取1.5[15]时，许用应力为180MPa，因此，曲杆在本次工作中夹取40t钢卷是很安全的。

图9所示为曲杆在仿真的过程中，受力最大时(7.9s)，在x、y方向上所对应的应变图。由图可知，曲杆在x方向上的最大变形量是51.3μm;在y方向上的最大变形量是44.9μm;最大总变形量是53.1μm。与曲杆相比，整体尺寸变形量微小，可以忽略不计。

图9 曲杆在x、y方向上的应变图Fig.9 Strain of curve rod in the x and y directions

4 结 论

(1) 本文以立式钢卷吊具关键零部件曲杆为研究对象，运用ADAMS、UG和ANSYS协同建模和仿真技术，建立了具有柔性曲杆的立式钢卷吊具虚拟样机数字化模型。完成了立式钢卷吊具整个起吊—卸载工作过程的运动学、动力学仿真。获得了记录柔性曲杆在整个工作过程中的受力和运动状况的载荷文件。

(2) 经ANSYS有限元分析，获得了曲杆的瞬时应力、应变分布情况。说明本文所给出的方法能全面分析立式钢卷吊具关键零部件在整个工作过程中的强度与变形，克服了静力学分析只能分析某一时刻零部件工况的局限；同时，克服了静态边界条件很难正确施加的问题。

(3) 通过以上建立的具有柔性曲杆的立式吊具虚拟样机模型，能够对不同尺寸、不同结构的曲杆进行各种工况的动态仿真，为吊具的结构设计改进提供了参考。

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Analysis on Transient Stress of Curve Rod of Vertical Tong Based on Virtual Prototype Simulation

WANG Huiqun

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

Statics has limitations in the analysis of stress distribution of main parts of vertical tong under complex conditions. A virtual prototype of a flexible rod vertical tong is modeled in this paper by combining software UG, ADAMS and ANSYS. Simulation of the model is performed to analyze dynamic variation of stress and transient stress distribution of the rod. The described approach provides an effective means for developing safe curve rod of vertical tong.

vertical tong; virtual prototype; flexible curve rod; dynamic simulation; transient stress analysis

2016-11-14

国家自然科学基金项目资助(51304133)

汪惠群(1972-)，女，副教授，主要研究方向为虚拟仿真设计,E-mail：huiqunwang@163.com

2095-0020(2016)06-0325-05

TH 211

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