文/秦威，張熙，張來星，盧勛，仇恒臣·山東神力索具有限公司

隨著世界工業(yè)的快速崛起，超大型設(shè)備及工件的吊裝需求變得更加普遍，大規(guī)格索具的研發(fā)設(shè)計(jì)也應(yīng)提上日程。山東神力索具有限公司自主研發(fā)的大規(guī)格100級(jí)眼形翅鉤，運(yùn)用ANSYS結(jié)構(gòu)分析模塊，在研發(fā)設(shè)計(jì)階段對(duì)索具整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度的安全校核，保證了產(chǎn)品的功能安全性和開發(fā)成功率。

大規(guī)格吊鉤的設(shè)計(jì)制造一直是索具行業(yè)的一大難點(diǎn)，尤其是在后期生產(chǎn)制造過程中，往往需要克服更大的困難。設(shè)計(jì)理念的科學(xué)與否、是否擁有大型鍛造設(shè)備等等因素都考驗(yàn)著企業(yè)對(duì)于大規(guī)格索具產(chǎn)品的研發(fā)制造能力。大規(guī)格產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)普遍存在著加工時(shí)間長(zhǎng)，鍛造難度大的特點(diǎn)。為了減少不必要的投產(chǎn)次數(shù)，借助復(fù)雜零件有限元快速建模與分析軟件V1.0系統(tǒng)，引入了基于有限元仿真的大規(guī)格眼形翅鉤靜力學(xué)分析的概念。

眼形翅鉤基礎(chǔ)信息

產(chǎn)品選自山東神力索具有限公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)的100級(jí)系列索具，規(guī)格為32-10的高強(qiáng)度眼形翅鉤，產(chǎn)品三維模型見圖1，性能參數(shù)見表1。其采用高強(qiáng)度高韌性特殊合金鋼23A(23A材料為山東神力索具有限公司協(xié)議訂購(gòu)鋼材保密代號(hào))鍛造而成，經(jīng)過熱處理以后，可表現(xiàn)出更高的力學(xué)性能。相比80級(jí)索具，產(chǎn)品性能提升25%，材料力學(xué)性能見表2。

表1 產(chǎn)品性能參數(shù)

表2 材料力學(xué)性能

高強(qiáng)度眼形翅鉤有限元分析

三維模型的建立

ANSYS自有的建模模塊不太適合復(fù)雜曲面模型的建立，操作繁瑣。作者選用其他三維軟件來建立模型，對(duì)于一些非重點(diǎn)分析區(qū)域，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化模型，以便能夠生成高質(zhì)量網(wǎng)格。

網(wǎng)格劃分

由于所分析產(chǎn)品為較復(fù)雜的曲面造型，且形狀不規(guī)則，所以采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分。程序基于幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，自動(dòng)檢測(cè)實(shí)體，對(duì)能夠進(jìn)行掃描的實(shí)體采用Sweep方法劃分六面體網(wǎng)格，對(duì)于不能掃描的實(shí)體采用Patch Conforming劃分為四面體網(wǎng)格。通過ANSYS自帶的網(wǎng)格質(zhì)量度量標(biāo)準(zhǔn)可得，網(wǎng)格質(zhì)量的平均值為0.8388，節(jié)點(diǎn)數(shù)約49萬(wàn)，單元數(shù)約34萬(wàn)。網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)估見圖2。

圖2 網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)估

施加約束及載荷

眼形翅鉤通常用于起吊作業(yè)，翅鉤頂端和雙環(huán)扣相連接，鉤體底端穿插鏈條。為了簡(jiǎn)化模型，采用彎曲梁模擬雙環(huán)扣對(duì)翅鉤的承載情況，并對(duì)彎曲梁的兩個(gè)上端面施加固定約束；下端采用鏈條鏈接，并在鏈條的末端位置施加沿負(fù)Y方向的載荷。固定約束位置見圖3，施加載荷位置見圖4。

圖3 固定約束

圖4 施加載荷

解算和分析

(1)生產(chǎn)驗(yàn)證載荷下的后處理結(jié)果及其分析。

根據(jù)EN1677標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)檢測(cè)規(guī)定，生產(chǎn)驗(yàn)證載荷(MPF)測(cè)試中的拉力應(yīng)為工作載荷的2.5倍，且產(chǎn)品的變形量不能超過產(chǎn)品原始尺寸的1%，若變形量過大，則判定產(chǎn)品不合格。在生產(chǎn)驗(yàn)證載荷下，經(jīng)過AYSYS軟件解算，得到產(chǎn)品應(yīng)力分布及變形情況，MPF應(yīng)力分布云圖見圖5。

圖5 MPF應(yīng)力分布云圖

在MPF仿真測(cè)試中，等效應(yīng)力最大值存在于鏈條和鉤體接觸位置(圖5所示Max處)，最大應(yīng)力值為1127.8MPa。由于此值僅存在于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處，是典型的應(yīng)力奇異現(xiàn)象，不具備分析價(jià)值。鉤體有效最大平均應(yīng)力值約為1049MPa，略微超過材料的屈服強(qiáng)度。通過線性化工具分析，最大應(yīng)力值僅分布在鉤體表面淺層，鉤體內(nèi)部材料的應(yīng)力值遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度。

圖6為鉤體在卸載后的總體變形云圖，最大位移量發(fā)生在鉤體的鉤尖處。此位移量并非是產(chǎn)品發(fā)生塑性變形造成的，而是由于加載時(shí)考慮了重力加速度，偏載的產(chǎn)品在重力作用下形成的自然姿態(tài)。

圖6 MPF總體變形云圖

為了研究產(chǎn)品的變形情況，在MPF測(cè)試過程中對(duì)開口處的尺寸用探針進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得加載后開口尺寸為43.137mm，產(chǎn)品設(shè)計(jì)開口尺寸為43mm，可得產(chǎn)品在MPF測(cè)試下開口尺寸的變形率為：0.137/43≈0.32%<1%；

綜上，鉤體在MPF仿真測(cè)試中，滿足了EN1677標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定形變量不能超過產(chǎn)品原尺寸的1%的規(guī)定，故鉤體MPF仿真測(cè)試合格。

(2)破斷失效載荷下的后處理結(jié)果及其分析。

根據(jù)EN1677標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)檢測(cè)規(guī)定，破斷失效載荷(BF)測(cè)試中的破斷拉力應(yīng)為工作載荷的4倍，本次分析取F=1568kN。BF測(cè)試是驗(yàn)證產(chǎn)品在相應(yīng)拉力下的塑性變形程度，當(dāng)進(jìn)行BF測(cè)試時(shí)，產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)發(fā)生良好的塑性變形，并且不能存在斷裂現(xiàn)象。經(jīng)過ANSYS軟件的解算，得到產(chǎn)品在破斷失效載荷下的變形情況。

為了與實(shí)驗(yàn)室BF測(cè)試做比對(duì)，BF變形云圖表現(xiàn)的是在加載到最大載荷后完全卸載的變形情況，如圖7所示。鉤尖處的總體位移最大，最大值為21.625mm，可見鉤體在破斷失效載荷下發(fā)生了明顯的塑性變形。根據(jù)第四強(qiáng)度理論，ANSYS可以計(jì)算出鉤體的等效應(yīng)力分布，如圖8所示。最大應(yīng)力出現(xiàn)在眼形和彎曲梁相切處，此處便是鉤體部分的危險(xiǎn)截面，最大應(yīng)力值為1413.9MPa，見圖9最大應(yīng)力值分布圖。

圖7 BF總體變形云圖

圖8 BF應(yīng)力分布云圖

由圖9可見，最大應(yīng)力值僅存在相切位置的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處，存在應(yīng)力奇異現(xiàn)象，不具備分析價(jià)值。用探針探取除奇異點(diǎn)外的較大應(yīng)力值(見圖10)，分別為1178.2MPa、1172.0MPa、1139.6MPa，均未超過材料的抗拉強(qiáng)度。故產(chǎn)品在4倍載荷下，有限元仿真結(jié)果滿足EN1677的測(cè)試要求。

圖9 最大應(yīng)力值分布圖

圖10 探針探取應(yīng)力值

仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了驗(yàn)證有限元模擬分析的可靠性，安排同規(guī)格的產(chǎn)品送往實(shí)驗(yàn)室做BF測(cè)試。文章中模擬分析采用的抗拉強(qiáng)度為1226MPa，經(jīng)查詢鋼材硬度、強(qiáng)度對(duì)照表，鉻、鎳、鉬系鋼熱處理后硬度應(yīng)達(dá)到約39HRC。在安排送檢的過程中，測(cè)得檢測(cè)產(chǎn)品熱處理硬度值均在41～43HRC之間，略高于仿真參數(shù)。同時(shí)測(cè)試過程中嚴(yán)格控制拉伸速率，最終測(cè)試最大力值約為1616kN。力學(xué)性能檢測(cè)記錄報(bào)告見圖11。圖12為實(shí)際測(cè)試與仿真對(duì)比情況，從左至右依次為未做測(cè)試(圖12a)、實(shí)驗(yàn)室BF測(cè)試圖(12b)和卸載后的仿真BF測(cè)試(圖12c)。

圖11 力學(xué)性能檢測(cè)記錄報(bào)告

圖12 實(shí)際測(cè)試與仿真對(duì)比情況

通過對(duì)比可以看出，大規(guī)格的產(chǎn)品滿足破斷測(cè)試要求。但是在形變方面與仿真結(jié)果存在著一些不同，主要表現(xiàn)在鉤體脖頸處。這是因?yàn)樗蜆赢a(chǎn)品熱處理硬度相對(duì)較高，屈服和抗拉強(qiáng)度相對(duì)較大。但是整體變形趨勢(shì)基本吻合，尤其是仿真的彎曲位置與實(shí)際測(cè)試結(jié)果保持著高度相似性。

結(jié)論

有限元分析在索具產(chǎn)品設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用，很大程度上提高了產(chǎn)品的開模成功率。尤其是在大規(guī)格索具的開發(fā)設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)合理性提供了可靠的理論支撐，可為客戶持續(xù)提供高質(zhì)量、高安全、高性能的索具產(chǎn)品。