姜明遠(yuǎn)，王寶中，林風(fēng)梅

(1.華北理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.巨力索具股份有限公司，河北 保定 071000)

0 引言

卸扣是吊索具的一種，在中國是一個十分有發(fā)展前景的產(chǎn)品。卸扣的應(yīng)用范圍非常廣泛，適用于各個工業(yè)制造、大型吊裝和工程建設(shè)領(lǐng)域。早期，由于國內(nèi)對卸扣的材料和結(jié)構(gòu)研究不夠深入，缺乏在安全設(shè)計系數(shù)下的可靠設(shè)計方法，只能依靠國外的樣本進(jìn)行模仿制造[1]。現(xiàn)如今，對卸扣的研究更近一步，蔡裕民在《吊裝工藝計算近似公式及應(yīng)用》中提出了計算D形卸扣最大應(yīng)力的公式。弓形卸扣比D形卸扣具有更強的承載力和更精美的外觀，應(yīng)用更為廣泛。由于弓形卸扣受力情況較為復(fù)雜，所以現(xiàn)在還沒有針對弓形卸扣最大應(yīng)力的計算公式。本文探討同樣額定載荷下D形卸扣的計算公式可否用于或在什么樣的條件下可以用于弓形卸扣最大應(yīng)力計算，以巨力索具公司額定載荷為9.5 t的弓形卸扣為例，通過用ANSYS Workbench進(jìn)行有限元分析的方法來模擬受力情況，對比仿真結(jié)果和計算結(jié)果，為得到弓形卸扣本體最大應(yīng)力的計算公式提供理論依據(jù)。

1 產(chǎn)品基本信息

巨力索具公司額定載荷為9.5 t的弓形卸扣如圖1所示,其吊環(huán)螺釘和銷軸是螺紋聯(lián)接，即將吊環(huán)螺釘擰入銷軸中。

圖1 巨力索具公司額定載荷9.5 t的弓形卸扣

該弓形卸扣的重量為4.25 kg，額定載荷為9.5 t，卸扣本體和銷軸采用的材料為34CrNiMo6，其屈服應(yīng)力σs≥760 MPa、抗拉極限σb≥1 075.2 MPa。卸扣本體和銷軸所用材料屬于合金鋼類材料，分析設(shè)定材料信息時取相同的參數(shù)，合金鋼的性能參數(shù)為：密度7 850 kg/m3，彈性模量206 GPa，泊松比0.3。

2 有限元分析計算

2.1 有限元模型的建立

選用ANSYS Workbench軟件中的static structural模塊進(jìn)行有限元分析[2]。通過三維建模軟件SolidWorks對此卸扣進(jìn)行建模，由于在實際工況中吊環(huán)螺釘、R形開口銷在吊裝過程中不受力，所以分析時將其抑制，在后面的分析中不對其進(jìn)行分析，從而簡化模型，減少運算過程的計算量，提高仿真模擬準(zhǔn)確性。該卸扣用于吊裝作業(yè)，卸扣本體上端與20 t高強度環(huán)形吊帶連接，吊帶厚度約38 mm、寬度約70 mm，通過static structural模塊中的Design Modeler在卸扣本體上端分割一個寬度為70 mm的表面，在這個表面上施加豎直向上的力來代替卸扣本體上端與20 t高強度環(huán)形吊帶連接的受力。卸扣的銷軸與Crosby公司的M24×36吊環(huán)螺釘相連，將吊環(huán)螺釘?shù)牡撞吭O(shè)為固定面[3]。卸扣受力面如圖2所示，卸扣固定面如圖3所示。

圖2 卸扣受力面

圖3 卸扣固定面

2.2 定義接觸類型

在Model環(huán)境中定義卸扣的接觸類型。根據(jù)實際的工況，卸扣的接觸類型設(shè)置如表1所示。表1中，Bonded為綁定接觸，No Separation為不分離接觸。

表1 卸扣的接觸類型設(shè)置

2.3 劃分網(wǎng)格

根據(jù)產(chǎn)品外形特點，在ANSYS Workbench中選取四面體網(wǎng)格中的Patch Independent方法來對卸扣本體和銷軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這種網(wǎng)格劃分方法能很好地劃分連接面之間的過渡區(qū)域，得到較好的網(wǎng)格劃分結(jié)果[4]。由于吊環(huán)螺釘不是這個仿真分析的主要部件，故將吊環(huán)螺釘用自動劃分網(wǎng)格的方式來劃分網(wǎng)格。劃分質(zhì)量較好的網(wǎng)格可以滿足后續(xù)的分析需求，網(wǎng)格劃分質(zhì)量報告如圖4所示。圖4中，橫坐標(biāo)表示的是網(wǎng)格度量。網(wǎng)格度量以1為最大，越接近1說明網(wǎng)格質(zhì)量越好。

圖4 網(wǎng)格質(zhì)量

3 受力模擬分析

在卸扣受力面上分別施加2.5 t、5 t、7.5 t、9.5 t、12.5 t、15.5 t、18 t、19 t、23 t、27 t、31 t、35 t、38 t、40 t的載荷，得到卸扣本體最大應(yīng)力數(shù)值，如表2所示。

以施加載荷9.5 t為例進(jìn)行說明，9.5 t載荷相當(dāng)于93 100 N的力，在Workbench軟件中輸入力93 100 N，得到如圖5所示的應(yīng)力云圖[5]。

表2 仿真分析得到的卸扣最大應(yīng)力

圖5 施加載荷9.5 t時卸扣本體最大應(yīng)力云圖

從圖5中可知，當(dāng)受力面上施加93 100 N的力時，卸扣本體最大應(yīng)力為408.66 MPa。

4 公式計算

圖6為D型卸扣尺寸圖?！兜跹b工藝計算近似公式及應(yīng)用》中對D型卸扣本體的應(yīng)力公式推導(dǎo)為：將卸扣本體視為鏈環(huán)的一半，按曲梁彎曲公式計算，并考慮“強化系數(shù)”，則環(huán)曲線部分中點的應(yīng)力計算公式為[6]：

圖6 D形卸扣尺寸圖

(1)

(2)

本文以巨力索具公司額定載荷為9.5 t的弓形卸扣為例進(jìn)行計算，圖7為該弓形卸扣本體的具體尺寸圖。

圖7 弓形卸扣尺寸圖

將其余的載荷分別進(jìn)行計算，結(jié)果如表3所示。

表3 公式計算得到的弓型卸扣最大應(yīng)力匯總

5 結(jié)果對比與分析

不同受力情況下仿真和公式計算得到的弓形卸扣的最大應(yīng)力數(shù)值匯總?cè)绫?所示。

將表4中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成折線圖可以更加清晰直觀地顯示兩組數(shù)據(jù)的相同和差異，卸扣本體最大應(yīng)力數(shù)值對比，如圖8所示。

表4 仿真和公式計算得到的弓型卸扣最大應(yīng)力匯總

由圖8可以看出：公式計算得到的卸扣本體的最大應(yīng)力和有限元分析得到的卸扣本體最大應(yīng)力在卸扣本體受力186 200 N之前結(jié)果相似，有限元分析得到的結(jié)果略大一些，兩者最大誤差約為8.1%；在受力186 200 N之后差別較大。分析原因為卸扣本體所用材料為34CrNiMo6，其屈服強度為760 MPa，當(dāng)卸扣本體受力大于186 200 N的時候，卸扣本體發(fā)生塑形變形，此時材料進(jìn)入屈服階段，當(dāng)受力逐漸加大時，其應(yīng)力變化較為平緩，但是對于公式來說，公式內(nèi)沒有考慮材料的影響因素，所以在圖8中卸扣本體最大應(yīng)力總體呈現(xiàn)線性上升的趨勢，沒有因為材料到達(dá)屈服強度而變化。

圖8 卸扣本體最大應(yīng)力數(shù)值對比圖

6 結(jié)論

通過對計算結(jié)果和有限元分析結(jié)果對比分析可以得到結(jié)論：當(dāng)卸扣本體最大應(yīng)力小于制造卸扣材料的屈服強度的時候，蔡裕民在《吊裝工藝計算近似公式及應(yīng)用》中提出的計算D形卸扣最大應(yīng)力的計算公式也可以用來計算相同額定載荷的弓形卸扣本體的最大應(yīng)力值。這個結(jié)論可以用于弓形卸扣的設(shè)計計算和對不明噸位的弓形卸扣進(jìn)行核算，以此來滿足相關(guān)的工程吊裝要求。