基于ANSYS的起重机吊钩优化设计

 

吊钩是起重机上应用*广泛的一种取物装置，也是起重机的主要承载部件，吊钩的强度及其设计的合理性对起重机工作的安全性至关重要。因此，应用现代有限元分析方法，对吊钩的强度进行分析，发现吊钩的*大变形位置，揭示其应力分布规律和危险截面，为吊钩强度的研究设计提供理论依据，具有重要的工程意义。

 

2有限元模型的建立与分析2.1吊钩的结构及参数以实际生产中一台工作级别M5的50t/10t桥式起重机主起升的直柄吊钩为例，其结构形式简图，如所示。其参数为：单钩，钩号为40，强度等级为M，钩身水平截面*大厚度为200mm，竖直截面*大厚度为170mm，柄部直径为150mm.吊钩材料为DG20Mn，材料的屈服点为333MPa，抗拉强度510MPa，泊松比0.3，弹性模量E=2.1ellPa，密度为7860kg/m3.钩身*大许用弯曲应力：吊钩直杆部分*大许用拉应力：瓯吊钩结构简罔2.2吊钩有限元模型的建立某些过渡转角几何特征对强度的影响很小，在Ansys中会增加畸变网格的产生几率，增加计算时间，影响计算精度，因此建模时应予以简化。单元类型选用六面体结构单元Solidl85.吊钩直柄上端部分添加约束，约束其全部自由度。

 

由于实际吊装过程中，吊重会发生摆动，使得悬吊重物的钢索拉力与垂直方向产生一定的夹角，根据工程实际及浮吊规程，此夹角应控制在30°左右。因此，吊钩满载达到*大起重量50t，且钢丝绳拉力偏角为30°时，吊钩处于*不利载荷的极限工况。

 

取悬吊重物的钢索直径D=28mm，即载荷的作用面区段约为D与吊钩中间竖直截面*大厚度的乘积。通过对吊钩中间竖直平面两侧各30°作用面施加面均布载荷的方法，来模拟悬吊货物的钢索对吊钩的作用载荷。

 

网格划分、添加约束、施加面载荷后得。

 

有限元模型，如所示。

 

2.3求解结果及分析吊钩的变形图，如Q所示。由该图可知，吊钩受力后有一定幅度的变形，其*大变形为0.925mm.吊钩的应力分布图，如⑥所示。由可知：①吊钩的*大应力发生在钩身主弯曲截面（水平截面）内侧，且*大应力为157MPa.吊钩钩身主弯曲截面（水平截面）外侧的*大应力约为87MPa，皆小于许用应力214.84MPa.（2）吊钩钩身在竖直截面内应力也较大，为另一危险截面，其*大应力约为104MPa.（3）吊钩直杆部分*大拉应力为69.6MPa，小于许用应力102MPa.所以，实际分析所得应力值远小于材料的屈服极限，应力余量大，说明吊钩是很安全的，可以进于优化。

 

3吊钩的优化在吊钩所受载荷力大小和安全系数都满足要求的前提下，可以减小吊钩的*大厚度和直柄直径来进行结构尺寸优化，将水平截面*大厚度从200mm减少到180mm，竖直截面*大厚度从170mm减少到155mm，柄部直径从150mm减少到135mm.此时施加的面载荷大小约为：对优化后的吊钩重新建模，在约束不变的情况下，对其再次进行有限元分析，计算分析结果，如所示。

 

U0优化后吊钩应力图阁4优化后分析结果从、中可以看出，此时新吊钩钩身主弯曲截面（水平截面）内侧*大应力为182MPa竖直截面*大应力为122MPa，都小于许用应力214.84MPa.吊钩直杆部分*大拉应力增大为81MPa，小于许用应力102MPa.吊钩的*大变形为1.066mm.所以，优化后的吊钩满足强度要求。而且，由PROE建立的三维模型进行质量属性评估，可知吊钩的质量从313.79kg下降到263.05kg，减少了50.74Kg质量减轻了16.1%优化效果明显。

 

4总结利用大型通用有限元软件ANSYS对一直柄单钩（GB/T10051.4-1988）进行了详细的静力学分析。与传统的分析方法相比，更准确的捕捉了吊钩的应力和位移分布情况，对工程实际生产具有重要的指导意义。并在满足吊钩强度和稳定性的前提下，对吊钩的厚度进行了结构尺寸优化，优化结果表明传统的吊钩厚度设计方法是保守的。