基于ANSYS Workbench的吊钩横梁静力学仿真

周军

(荆州职业技术学院新能源汽车学院，湖北 荆州 434000)

随着我国经济的发展进步，工业化程度的进步必然离不开各种技术装备的支持，其中，吊钩便是诸多重型起重机或者运输行业中不可或缺的一种机械零件，在城市建设、国防建设等其他领域起着至关重要的作用[1]。在吊钩与横梁相互搭配处于起重作业中时，吊钩横梁可能就会持续地受到与吊钩接触面间交变载荷的作用，长此以往，吊钩横梁本身极其容易产生疲劳损坏，从而达到疲劳极限。而一旦吊钩横梁在工作的过程中达到了疲劳寿命，此时的横梁便会瞬间断裂，并可能造成无法挽回的后果。所以，结合当下实际的工程应用，去评估和预测吊钩横梁在正常工作过程中的疲劳寿命具有重要的实际意义和经济意义[2]。为此，笔者以市面上广泛应用的3.2t桥式起重机的吊钩横梁作为研究对象，运用ANSYS 系统中Workbench平台的有限元静力学仿真，分析吊钩横梁在加有载荷的状态下其应力和位移分布云图。由此可以根据仿真分析得到的数据从理论上估算吊钩横梁的疲劳寿命，以便能够确保吊钩与横梁配合使用的过程中的安全性，也能够根据等效应力云图观察其应力集中处，为吊钩横梁今后的设计优化提供有力的参考[3]。

1 模型的建立

图2 吊钩横梁俯视图

图3 吊钩横梁三维模型

根据市面上吊钩横梁的实际应用情况，笔者在考虑过吊钩横梁的一般结构尺寸后所提供的横梁结构尺寸如图1和图2所示[4]。根据所提供的横梁尺寸草图，通过三维绘图软件SolidWorks构建该吊钩横梁的三维实体模型，如图3所示。将所得到的吊钩三维模型另存为x_t格式文件[5]供下一步ANSYS Workbench仿真使用。

2 仿真前处理

由于所述吊钩横梁所用材料为30#钢，且对吊钩横梁进行的静力学仿真只需要材料密度、杨氏模量和泊松比等主要参数即可完成对材料性能的定义，所以查阅资料可得表1所示的材料属性[6]。根据有限元仿真的实质，将三维实体细化为有限细小的单元进行离散化分析，所以此处采用四面体网格的划分模式，同时定义全局种子的大小为1mm，划分完成后经过Workbench平台计算所得到的网格单元数量为149597，节点数为226649，最后系统计算的最终结果显示网格划分的质量良好，如图4所示[7]。

图4 吊钩横梁网格模型

3 仿真试验及后处理

对于吊钩横梁本身结构而言，整体经由吊钩横梁两端的圆柱悬臂通过滑轮联结进行支撑。由于悬臂为圆柱形，故而能够在滑轮的轴承内进行相应的转动，承载吊钩拉力的位置则由吊钩横梁中间的凹台平面提供。将先前构建完备的3D实体吊钩横梁模型导入ANSYS Workbench平台之后，在定义该模拟试验的边界条件之前，假定连接悬臂滑轮的钢丝绳没有晃动，处于静止状态，所以施加垂直于凹台平面的额定载荷，并定义两端圆柱悬臂处为圆柱约束[8]。最后在求解器中设定等效应力变化和等效位移变化，X、Y和Z轴方向的定向应力变化以及定向位移变化，求解得到相应的变化云图如图5～图12所示。

图5 X轴方向的应力云图 图6 X轴方向的变形云图

图7 Y轴方向的应力云图 图8 Y轴方向的变形云图

图9 Z轴方向的应力云图 图10 Z轴方向的变形云图

1)应力分析结果。由应力云图可知，在X轴方向，最大应力为105.13MPa，方向为X轴正方向；在Y轴方向，最大应力为44.22MPa，方向为Y轴正方向；在Z轴方向，最大应力为39.287MPa，方向为Z轴负方向；最大等效应力位于吊钩横梁中部与两端轴承支撑位置的结合处，大小为89.92MPa。

2)变形分析结果。由变形(位移)云图可知，在X轴方向，最大变形为0.0015643mm，方向为X轴正方向；在Y轴方向，最大变形为0.00038731mm，方向为Y轴负方向；在Z轴方向，最大变形为0.0046768mm，方向为Z轴负方向；整体最大变形位于吊钩横梁中心吊钩通过的孔截面，大小为0.0046952mm[9]。同时，由于吊钩横梁的主要受力为Z轴方向，通过图11可以看出，吊钩横梁的应力集中主要存在于圆柱悬臂与横梁中心结构相连接的变截面处，而该变截面的上边缘主要承载所施加载荷的拉应力，下边缘主要承载所施加载荷的压应力。而从图12的等效变形云图可以看出，最大位移变形处于吊钩与吊钩横梁所连接中心的环形凹台的平面上，因此，吊钩横梁的危险部位通常出现在该连接面的边缘部分[10]。

图11 等效应力云图

图12 等效变形云图

4 仿真结果分析

4.1 强度分析

30#结构钢的屈服强度为295MPa。由图11可得，经过ANSYS Workbench有限元分析软件得到吊钩横梁在3.2t负载下的最大等效应力为89.92MPa，小于屈服强度295MPa，故而满足对应的强度要求，所以吊钩横梁在此工况下工作安全。

4.2 静刚度分析

吊钩横梁的静刚度是指吊钩横梁在施加静载荷力下抵抗变形的能力，而线性静态结构分析方程为：

F=Ky

(1)

其中，K为静刚度,N/m；y为受力方向的最大变形量,mm；F为受力方向所施加的总载荷,N。

在分析过程中，式(1)需要满足以下的假设条件：y必须是连续的，并且相应的实体材料需要满足线弹性和小变形条件，F是静载荷。最后在计算吊钩横梁静刚度时，由于吊钩横梁的载荷是沿Z轴负方向施加的，所以由图9可知，Z轴方向的最大变形为0.0046768mm，Z方向的载荷取32000N，则通过式(1)变形可以计算得到吊钩在Z方向上的静刚度为6.8423×109N/m。

4.3 安全系数

由许用应力公式：

(2)

得到安全系数公式为：

(3)

其中，k为安全系数。在该吊钩横梁承载3.2t载荷的情况下，代入相应数值得到吊钩横梁的安全系数不超过3.28。

5 结语

结合工程应用中较多的桥式起重机的吊钩横梁以及30#结构钢的材料，运用SolidWorks三维画图软件构建其对应三维实体模型，将三维实体模型经由Workbench平台在有限元软件ANSYS系统中进行静力学仿真。通过仿真得到的应力变化云图以及位移变化云图分析该吊钩横梁的危险截面，为吊钩横梁的结构设计和优化打下坚实的基础。同时，通过该仿真得到主受力方向的最大应力以及位移变化的大小，运用理论分析计算得到该吊钩横梁的强度要求、抗变形能力以及许用安全系数，计算结果符合该吊钩的实际使用安全要求，为理论计算提供了思路，也为今后吊钩横梁的优化创新提出了明确的方向。