基于NX Nastran的直柄吊钩有限元分析计算

李继兴

（同济大学机械与能源工程学院，上海 200092）

基于NX Nastran的直柄吊钩有限元分析计算

李继兴

（同济大学机械与能源工程学院，上海 200092）

吊钩是起重机的重要承重部件，它的安全性对整个起重机的安全性能有重要的影响。文中以大型综合软件NX 8.5为工具，对某型号吊钩进行三维建模和有限元静力学分析，得出吊钩的应力分布和位移分布云图，根据分析结果，找出其最大应力位置，为吊钩设计校核强度提供理论依据。用以核对吊钩设计的可靠性，同时对吊钩结构进行局部优化给出了指导意见。

吊钩；弯曲截面；应力分析；NX Nastran

0 引言

起重机是指在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械。又称吊车。属于物料搬运机械。起重机的工作特点是做间歇性运动，即在一个工作循环中取料、运移、卸载等动作的相应机构是交替工作的，起重机在市场上的发展和使用越来越广泛。直柄吊钩是起重机中的重要承载部件，它首先与重物间接接触，几乎承载了全部的负载。吊钩的安全性至关重要，如果吊钩出现，那么整个起重机运行的安全性就会受到重大影响。因此，对起重机吊钩进行有限元分析计算十分必要。

吊钩按形状分为单钩和双钩；按制造方法分为锻造吊钩和叠片式吊钩。单钩制造简单、使用方便，但受力情况不好，大多用在起重量为80吨以下的工作场合；起重量大时常采用受力对称的双钩。吊钩材料可选用20优质碳素钢或吊钩专用材料DG20Mn、DG34CrMo等锻造制成，严禁使用铸造吊钩。

吊钩的设计已经形成一种标准，一般情况下，设计师根据吊钩的起升重量，机构工作级别，选用相应的钩号大小和对应的强度等级的材料。可以根据国家标准GB/T10051进行选择。也有一些大型起重机公司设计自己的吊钩型号。

吊钩的设计计算的传统方法以手工计算，结合手册相应的界面计算公式进行计算。其中的依截面形状定的曲梁系数KB需要运用积分计算，比较麻烦。近年来，随着有限元法、有限差分法等各种数值方法的迅速发展，CAE技术在多个领域得到了广泛应用。有限元法在起重机吊钩设计计算中也发挥了很大作用。文中以某型5号直柄吊钩为例，利用NX8.5对其进行实体建模，经过网格划分施加约束和载荷后进行有限元分析计算，快速而准确地实现了对直柄吊钩强度的校核，为吊钩设计的安全可靠性提供了理论依据。

1 直柄吊钩的有限元模型建立

1.1直柄吊钩的实体模型

本文所述Hook5为5号吊钩，因其所承载要求与标准的RSN5吊钩一致，同样的工作级别和强度等级下要求承载重量一样。所以其内孔直径和开口处尺寸与RSN5相同，即内孔直径a1=80mm，开口尺寸a2= 63mm。因其安装方式不是采用直柄部分开螺纹安装，所以直柄部分尺寸比标准稍微减小，即尺寸L1=300mm。其余尺寸和外形做了较大改变，其中吊钩下方采用扁平设计，而不是原先标准吊钩的圆弧设计，这样可以使得吊钩能够自然站立，有利于堆放，安装和维护。在NX 8.5中，根据图纸建立了如图1的直柄吊钩实体模型。

图1　直柄吊钩实体模型图

1.2直柄吊钩模型的网格划分

在NX8.5中将建立的三维模型打开，之后点击Advanced Simulation进入有限元分析环境，通过创建New and Simulation，开始建立有限元模型，从材料库中选择模型材料steel，之后进行Physical Property和Mesh Collector处理，最后进行3D四面体网格划分，采用自动划分网格的方法对吊钩划分网格，其中网格大小根据吊钩尺寸选择8mm，图2为直柄吊钩的网格划分模型图。

图2　直柄吊钩网格划分模型图

2 有限元分析计算

（1）施加约束和载荷。吊钩的材料选用34Cr2Ni2Mo，材料的弹性模量E=206GPa，密度ρ=7.83×103kg/m3，泊松比μ=0.3，型号为5号钩，强度等级为V级，上屈服强度ReH= 620MPa，机构工作级别M5，额定负载为16000kg。在仿真分析中假定吊钩上端是固定不动的，即受全约束。假定载荷作用于一根铅垂的钢丝绳上，作用线通过吊钩截面形心连线的曲率中心，在模型中采用轴承力施加载荷，力的作用夹角选择60°，载荷大小为156800N。

（2）通过对施加约束和载荷的前处理的网格模型进行运算，得出直柄吊钩的应力分布云图和位移云图。分别如图3，图4所示。

图3　直柄吊钩的等效应力分布云图

图4　直柄吊钩的整体变形云图

由图3可知，最大等效应力出现在吊钩的主弯曲截面的内侧，此处收到拉应力，最大应力值在单元10137，节点43540处，应力值为370.02MPa。根据GB/T10051中“图单钩应力值σc和σD”所查，钩号为5号的吊钩，在机构工作级别为M5，材料强度等级为V级，所对应的σc约为366MPa，此吊钩的有限元分析应力最大值与标准吊钩的应力最大值基本一致，因为吊钩的上屈服强度为ReH=620MPa，其安全系数为1.68。满足设计使用要求。由图4可知，最大位移发生在吊钩前端下部位，它们是吊钩整体拉伸和下部结构弯曲变形的综合结果，满载情况下，向下最大位移量为1.581mm。

3 结论

（1）运用NX Nastran对某型号直柄吊钩进行有限元静力分析，能够直观、准确、快速的得到吊钩任意位置的应力、应变分布情况，并发现模型中存在的问题，计算结果全面可靠，为直柄吊钩的设计提供了理论依据，说明该型号吊钩在此设计的基础上是能够满足强度要求的，该有限元分析满足了快速校核的需要。

（2）在满足直柄吊钩强度要求的前提下，根据该型号吊钩的分析计算结果，可以对结构进行一些优化改进。吊钩下方两个角的地方应力值较小，可以进行适当改进，降低一些材料既不影响吊钩的安全性能，又能降低吊钩重量，降低成本。

［1］成大先．机械设计手册［M］．北京：化学工业出版社，1997．

［2］GB/T 3811-2008起重机设计规范［S］.

［3］毛炳秋.UG NX 7.0基础教程［M］.电子工业出版社，2011.

［4］麓山文化.UG NX7从入门到精通［M］.机械工业出版社，2010.

［5］起重机械标准汇编（下），2010.

［6］GB10051-88起重吊钩直柄吊钩技术条件［S］.北京：机械电子工业部，1989.

The Finite Element Analysis and Calculation of Shank Hook That Based on NX Nastran

LI Ji-Xing
（Tongji University，School of Mechanical Engineering，Shanghai 200092，China）

Hook is one of the important bearing parts of crane，its security has a significant impact on the safety performance of the entire crane.In this Paper，the use of large integrated software NX 8.5 as a tool，made 3D modeling and finite element statics analysis to some type of hook.Draw stress distribution and displacement distribution cloud for this hook，According to the analysis results，to find the maximum stress position，provide a theoretical basis for the design check hook strength.To check the reliability of the hook design，while gives local optimization guidance for the the hook structure.

hook；bending section；stress analysis；NX Nastran

TP27

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.022

1002-6673（2015）02-060-02

2015-03-16

李继兴（1981-），男，上海人，硕士研究生，中级工程师。研究方向：起重机电动葫芦。