基于ANSYS的吊钩可靠性分析*

张康智，陈万强，李祥阳，王 芳

(西安航空学院军工装备研究所，陕西西安 710077)

基于ANSYS的吊钩可靠性分析*

张康智，陈万强，李祥阳，王 芳

(西安航空学院军工装备研究所，陕西西安 710077)

采用大型通用有限元分析软件ANSYS对吊钩的应力分布规律进行分析和计算，得出该构件的位移和应力分布图，从理论上对吊钩的危险截面进行了分析研究，为进一步改进吊钩的受力状况和结构设计提供了理论依据。

吊钩;有限元;ANSYS

1 前言

吊钩是起重作业中应用最多的取物装置，它承担着吊运的全部载荷，是起重机安全生产的三大构件(制动器、钢丝绳、吊钩)之一。吊钩一旦损坏断裂，极易造成重大安全事故，它对于起吊货物操作的安全有着非常重要的意义;因此，在设计时应综合考虑各种因素。按照一般吊钩强度设计方法进行设计的吊钩，可能会导致较大的误差，且速度较慢，随着计算机技术的发展，特别是有限元分析及优化技术，能够改进零件的结构设计，使其在满足强度和刚度的情况下具有最合理的方案，复杂的工程问题可采用离散化的数值计算方法，并借助计算机辅助设计得到满足工程要求的数值解。

笔者利用有限元分析软件ANSYS对某一吊钩进行应力分析，以便能进一步指导吊钩的设计。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场分析于一体的大型通用有限元分析软件，它能与Pro/E等多数CAD软件接口，结构分析是其最重要的一个应用领域，在机械、汽车、土木工程等诸多领域都广泛地使用，可以极大地提高工作效率［1］。

2 模型的建立

利用ANSYS软件对吊钩进行应力分析的流程图如图1所示。

(1)材料模型的建立

对实际零件在分析时应该简化为平面问题，任何一个物体都是空间物体，它所受的载荷一般都是空间的，机械零件的形状和载荷情况具有一定的特点，经过适当地简化和抽象处理就可以归结为平面问题，这种问题的特点即将一切现象都看做是在一个平面内发生的。平面问题的模型可以大大简化而不失真。

图1 应力分析流程图

吊钩材料为DG20 Mn，泊松比μ=0.25，弹性模量E=2.06 E11 Pa，强度等级为P级，屈服极限σs= 315 MPa。该吊钩的钩号是1#，额定起重量为2.5 t，几何尺寸按国标(GB/T10051.1－1988)所给，d1= 30，d2=24;在Pro/E中建立的实体模型导入后如图2所示，倒角和螺纹等特征已简化。

(2)载荷模型的建立

此问题是一种高度的非线性行为需要较大的计算资源，理解问题的特性和建立合理的模型等很重要。在吊钩的受力部位假定一重物对吊钩进行约束和加载约束部位设定在吊钩上部与其他零件联接的螺纹处，假定此部位固定不动，以便于求解吊钩的复杂曲面受力情况因为静力分析载荷即为物体重力。

(3)建立有限元模型

单元的划分弯钩部分采用ANSYS的自适应网格划分方法，钩杆部分采用映射的网格划分方法，使用8节点六面体单元，共划分出917个节点，3 420个单元。划分单元后的模型如图3所示，计算中假定材料为线弹性，即不发生屈服。吊钩在起吊货物时，所引起的一点偏斜可通过吊钩杆自身旋转调正，分析时可不考虑所受扭矩的影响，只考虑所受的垂直拉力。因只考虑静拉力的影响，分析时所施加的载荷应为其额定载荷的2倍。

图2 吊钩的实体简化模型

图3 吊钩的有限元模型

3 计算结果［2］

通过ANSYS的静载荷计算，得出吊钩的合位移和应力分布图，分别如图4、5所示，从整体看钓钩工作时的受力情况，是在垂直方向受所垂直向下的拉应力作用，由于吊钩结构所致在吊钩下，面弯曲部分形成弯矩从而产生较大的弯曲应。因此，吊钩整体结构上特别是下面弯曲工作部分实际上是受这两种应力的和，由于合应力在吊钩内侧。表现为拉应力，外侧表现为压应力，所以危险截面总是出现在内侧弯曲应力较大处。

吊钩工作局部，考虑接触应力的影响，接触载荷作用力使接触处的应力加大，出现应力集中现象但与材料内部的其他应力不同，主要作用在外表面，接触处的应力增加导致吊钩局部产生一定的塑性变形，接触应力向着均衡分布的趋势变化，应力集中得到缓解。而在非接触处，根据圣维南原理，应力值变化不大，即对吊钩非接触处影响很小在正常情况下，在没有较大的相对速度或者大载荷时，局部的接触应力即使超过了材料的强度极限，也会由于产生塑性变形而使应力集中得到分散和缓解使其不易产生严重破坏性的后果。

通过ANSYS的静载荷计算结果表明该吊钩的σmax=72.96 MPa，因σs=126 MPa，按照不发生塑性变形的强度条件σmax≤σs，该吊钩的机械强度满足要求。

图4 吊钩的合位移

图5 吊钩的的Von Mises应力分布图

4 分析与结论［3］

(1)计算结果表明吊钩在加载后，最大合位移出现在如图4所示的弯头部分，其值为Umax=0.136 3 mm;没有任何明显的变形情况;最大等效应力出现在如图2所示吊钩的Ⅰ－Ⅰ截面附近，与文献［2］所持观点一致，即认为该截面是吊钩最易发生疲劳变形或断裂的危险截面，其值大小为σmax=72.96 MPa。表明吊钩能可靠地支持住2倍的检验载荷而不脱落。

(2)通过以上的计算和分析，可以基本掌握吊钩的受力情况，如对应力最大处的结构进行适当的改进，将会大大提高该吊钩的额定起重量，同时还可以降低生产成本。使用中，在定期对其进行探伤时，应特别注意其危险截面处的变化。

(3)对于新产品的开发和旧产品的改造方面，ANSYS软件能够提供强度、应力分布状况的优化，如再考虑到周围环境温度和吊钩自重的影响，分析结果将会更加准确，为进一步改进吊钩的结构提供必要的理论依据。

［1］ 赵海峰，蒋 迪.工程结构实例分析［M］.北京:中国铁道出版社，2004.

［2］ 闫雪琴，李 莹，薛红旗.有限元优化技术在起重机吊臂结构设计中的应用［J］.机械研究与应用，2006(12):54－55.

［3］ 谢云舫，黄亚宇.基于ANSYS的重型货架的有限元分析［J］.机械研究与应用，2005(12):82－83.

Reliability Analysis of the Lifting－Hook Based on ANSYS

ZHANG Kang－zhi，CHEN Wan－qiang，LI Xiang－yang，WANG Fang
(Military Equipment Research Institute，Xi'an Aerotechnical College，Xi'an Shanχi 710077，China)

The stress distributing rule of the lifting－hook by using ANSYS software is calculated and analysed，and the figure that the distribution of the displacements and stresses is

，and the usual dangerous section of it is investigated in theory，the essential theoretic basis for improving its suffering force situation and structure are provided.

lifting－hook;finite element;ANSYS

TH12

A

1007－4414(2013)05－0037－02

2013－08－02

张康智(1978－)，男，陕西杨凌人，讲师，主要从事机电液体一体化技术的研究工作。