圆截面卸扣的有限元设计与结构

怀玉兰，孟宪举，李军，张荣建

(1.河北联合大学研究生学院，河北 唐山063009;2.河北联合大学机械学院，河北 唐山063009)

0 前言

卸扣在中国是一个新型行业，是吊索具的一种，普及程度还很低。未来发展空间非常巨大。据业内人士预计，未来行业的年均需求增速将达到20%以上。卸扣的应用范围非常广泛，适用于各个工业制造、大型吊装和工程建设领域。特别是小于150吨的圆形截面的D型、弓形卸扣应用广泛，生产历史较长。由于国内对卸扣的材料和结构研究不够深入，缺乏在安全设计系数下的可靠设计方法，目前只能依靠国外的样本进行模仿制造。目前卸扣的设计还主要依靠传统的经验和实验进行设计，耗费大量的人力物力。通过对小型圆截面卸扣运用分析软件ANSYS进行结构分析，模拟计算卸扣的实际破断载荷以及破断位置，从而为卸扣的开发生产和安全使用提供理论依据。

有限元法的应用范围非常广泛，它不但可以解决工程中的线性问题、非线性问题，而且对于各种介质为不同性质的固体材料，如各向同性和各向异性材料、粘弹性材料以及流体等力学问题和相关的其他问题均能求解。图1给出了圆截面卸扣结构分析流程图。

图1 利用ANSYS对卸扣进行结构分析

运用有限元方法对圆截面卸扣进行受力分析与结构优化。在保证强度、刚度的前提下，提供最优结构形式，使产品具有最好的使用性能和最低的材料消耗与制造成本，以便获得最佳的经济效益和社会效益。

1 有限元模型建立

1.1 建立几何模型

采用美国参数技术公司(PTC)开发的三维造型软件—Pro/Engineer建立卸扣的本体和销轴，并采用装配功能进行装配，卸扣主要部件包括本体和销轴，考虑到卸扣是对称结构，为了节省计算时间和资源，对卸扣四分之一进行分析。对卸扣受力状态进行研究可知，本体的约束源于上部的吊件，二者之间是接触关系，而销轴的载荷的来自于销轴上的加载吊件，二者之间也是接触关系，因此，在受力过程中本体的约束部位和销轴的受力部位是随时可能移动的，如果计算中不考虑这两个部件，则很难预测加载过程中本体的约束部位以及销轴的受力部位，从而不可能准确施加系统的约束条件和载荷条件，而导致模拟的失败。因此为了准确模拟加载过程中卸扣的受力状态以及其变化，在PROE模型的基础上，在ANSYS中进行了模型补充。在ANSYS中的卸扣模型上主要添加了上下部两个吊件的实体有限元模型，如图2所示，由于没有详细的吊件图纸，吊件模型基于受力状态的示意图进行了假定和简化处理，将上部吊件简化为直径0.09 m的柱体，而将下部吊件简化为宽度0.073 m，内径略大于销轴外径的半圆环体。下部吊件位于销轴中央部位。

图2 简化的卸扣模型

1.2 材料的选择

ANSYS中提供了各种典型材料的属性，同时还支持自定义材料属性，包括弹性、塑性、弹塑性等。根据课题和现场的需要，本体与销轴采用弹塑性材料，材料属性选择:

弹性模型:E=2.1e11Pa;

泊松比: μ=0.3;

屈服强度:δs=3.55 ×108Pa;

抗拉极限:δ=6.00 ×108Pa;

密度:7800 kg/m3。

1.3 网格划分

网格模型对计算精度和稳定性有很大的影响，网格的质量直接影响计算的精度和速度。一般来讲，网格数量增多，计算精度会有所提高，但相应的计算规模也会增加，尤其是在进行接触分析时，接触单元的存在，使计算量非常大，尤其是对计算机内存的要求相当高。因此，模型全场采用高精度的六面体solid185单元进行划分，设置单元格的尺寸大小为0.030m，得到卸扣的有限元模型，如图3所示。单元数74268，节点数82448。

图3 卸扣有限元模型

2 有限元模型求解

2.1 载荷施加

上部吊件和本体之间建立面对面接触关系;本体与上部吊件建立接触关系;下部吊件与销轴以及本体之间均建立接触关系;本体与销轴之间为紧固关系;下部吊件施加0.03m的位移载荷。

2.2 求解项设置

本次的求解为结构非线性分析，因此选择Structural(ANSYS)为分析类型。

由于结构非线性分析涉及到材料和接触问题，为了提高收敛性，打开线性搜索、激活时间积分、打开大变形及设置载荷子步。

与本体接触的上部吊件直接固定处理。与销轴接触的下部吊件为直接受力部件，由于材料在破坏中处于一种非稳定状态，为了保证非线性计算的稳定性，计算采用位移加载方式，在下部吊件的加载处施加向下的位移载荷，通过考察该点在位移过程中的反作用力大小来获取所施加载荷的大小。

通过分步加载方式追踪材料的塑性发展并确定破坏时刻的载荷步以及相应的载荷。

3 有限元计算结果分析

计算采用ANSYS软件的非线性仿真模块，考虑大位移、大应变、塑性和接触关系进行计算。图4卸扣销轴的下部吊件加载后，0.03m位移载荷施加完毕后的卸扣等效应力分布图。

图4 卸扣等效应力图

由图4可以看出，在加载过程中，关键受力部位的等效应力很快达到极限应力，通过对卸扣材料进行拉伸实验得出表1。

表1 卸扣材料应力应变

0.03m的位移载荷施加完毕后，卸扣本体和销轴载荷均有大范围的等效应力达到了极限应力。在等效应力达到极限应力的情况下，通过塑性应变可以更好地判断变形发展和破坏的趋势，图5为载荷施加完毕后卸扣的等效塑性应变分布图。由图5可见，最大等效塑性应变出现在销轴上。

图5 卸扣等效塑性应变

本计算中材料失效的评判标准采用等效塑性应变与极限应力塑性应变，当等效塑性应变超过材料的极限应力塑性应变时认为材料失去刚度破坏。当材料全断面材料均失去刚度时认为结构整体破坏。通过表1看出卸扣材料的极限应力塑形应变为0.01201，通过图5可以看出，卸扣整体的等效塑形应变远远超过了材料的极限应力塑性应变，因此判断卸扣失效，卸扣发生极限应力塑性应变的位置在销轴部位。图6为销轴破坏失效照片，由图6可以看出，卸扣失效往往由销轴破坏引起。

图6 销轴破坏失效

4 总结

利用ANSYS软件，对圆截面卸扣进行了结构分析，建立了卸扣的有限元模型，在适当的假设条件下，可以看出卸扣整体发生破坏失效往往由销轴破坏引起。本计算考虑了卸扣构件之间的相互作用和实际受力状态，建立了合理的有限元模型，并考虑材料试验应力应变数据，进行了加载全过程的非线性仿真，并从塑性应变的角度判断结构是否失效。计算结果得到了加载全过程中卸扣的变形、应力、应变的发展情况。模拟计算结果表明，破坏部位位于销轴的横断面处。本研究对卸扣是否能够达到超载试验的要求进行了分析，为工程实践提供有力的数据支持。

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