基于ANSYS的吊钩有限元分析及优化

何朋勃，钟海全，冀靖宇

西南石油大学国家重点实验室，四川成都 610500

基于ANSYS的吊钩有限元分析及优化

何朋勃，钟海全，冀靖宇

西南石油大学国家重点实验室，四川成都 610500

吊钩是易损部件，基于ANSYS软件对机构工作等级M4、钩号10的吊钩进行了有限元计算。分析了吊钩在模拟实验中受到集中载荷、分布载荷时，其应力及应变大小的分布；另外也分析了吊钩厚度对吊钩强度的影响。计算表明，对于一些复杂的二维图形，将ANSYS与AutoCAD结合起来，通过利用Steve-DXF2Ansys软件把数据转化为命令流的方法，可以建立更复杂的二维模型，有利于得到更真实、可靠的结果；吊钩的易损部位在吊钩承载重物处和内侧弯曲处，通过增加重物与吊钩的接触面积，可提高吊钩的承载力；面对复杂的使用情况，如起吊时重物的摆动、少量的超载等因素，可通过在设计时增加吊钩的厚度来提高吊钩的强度，从而防止意外的发生。

吊钩；有限元分析；优化

本文主要利用AutoCAD二维建模，将二维吊钩模型通过Steve-DXF2Ansys软件导入ANSYS，分析受力面积和吊钩厚度的变化对其应力、应变的影响，为提高吊钩强度、采用合理的厚度、节约生产成本提供依据[1-2]。

1 模型建立

1.1 AutoCAD草绘模型和模型参数

以实际机构工作等级M4、钩号10的吊钩为例阐述模型的建立。吊钩材料的弹性模量E=2.1×105MPa，密度7.85×10-6kg/m3，最大屈服强度235 MPa，泊松比μ=0.3。吊钩的额定载荷1.6 kN（实际试验载荷为额定载荷的1.25倍，即2.0 kN）。吊钩在机械零件中属于标准件，按照机械设计手册确定各个部位的尺寸[3]。对于吊钩上的接头、螺纹、倒角，由于不影响吊钩承重部位，作简化处理。利用AutoCAD画图功能，将吊钩画出，最终的二维草绘模型见图1。

1.2 ANSYS建模

将画好的草绘模型保存为*.dxf格式，利用Steve-DXF2Ansys软件将草绘模型转化为ANSYS的 APDL命令流文件 （见图 2），而后粘贴到ANSYS命令框可直接获取模型，见图3。

1.3 网格划分与载荷约束模型的建立

图1 草绘模型

图2 APDL命令流

图3 ANSY S模型

选择四面体单元Solid-8node183，采用自适应网格划分方法，使用1 886个节点。对吊钩进行约束和加载荷，假设有一重物通过绳索挂在吊钩上，约束部位设在吊钩上接头处，此部位固定不动；吊钩在受力过程中不摆动，只受垂直向下的作用力，见图4。

图4 网格模型

1.4 结果分析与优化

（1）受力分析与优化。以10 mm厚度的吊钩为例，见图5、6。从图中可知其最大应力、应变位于受到集中载荷的地方，最大应力为99.448 1 MPa，最大应变为0.847×10-3；次最大应力、应变位于吊钩向下弯曲处，由于载荷垂直向下，该截面受到弯曲与剪切二力的合力作用，而吊钩内侧受拉应力，外侧受压应力[4]，其应力为88.398 3 MPa，产生应变为0.47× 10-3；最大合位移在吊钩前端，为0.057 mm，见图7。所以这两处是吊钩的危险界面。

图5 应力云图

图6 应变云图

图7 合位移云图

因此，如果增大吊钩承载重物的受力面积，以10 mm厚度吊钩为例，设受力面积S=33.7 mm2，见图8、9那么其最大应力与应变均位于吊钩内侧，最大应力为89.259 6 MPa，最大应变为0.425× 10-3，内侧受到最大应力、应变均减小。在实际生产应用中，通过使用横截面积较大的绳索或增加绳索与吊钩的接触面积，将集中载荷转化为均布载荷，可提高吊钩的承载力。

图8 优化受力面积后的应力云图

图9 优化受力面积后的应变云图

（2）厚度分析与优化。通过改变吊钩的厚度，分析其所受的最大应力和最大应变情况如图10、11所示。

图10 最大应力分析

图11 最大应变分析

从图中可以看出，吊钩的厚度与其最大的应力存在函数关系。因吊钩材料的最大屈服强度为235 MPa，因而吊钩的最小厚度为4.4 mm即可满足设计要求。另外随着吊钩厚度逐渐增大，吊钩强度增加较缓慢，因此选择合适的厚度有助于防止在人为操作的过程中超载或大幅摆动对吊钩产生的不利影响，也节省材料费用。

2 结论

（1）对于一些复杂的二维图形，将ANSYS与AutoCAD结合起来，通过利用Steve-DXF2Ansys软件把数据转化为命令流的方法，可以建立更复杂的二维模型，有利于得到更真实、可靠的结果。

（2）吊钩是易损部件，因此对其进行有效的分析尤为重要。从以上的分析可以看出，其易损部位在吊钩承载重物处和内侧弯曲处，该结果与实际中吊钩发生断裂的情况一致。因此需要严格遵循设计要求，不定期对吊钩进行检查，保证安全作业。

（3）面对复杂的使用情况，如起吊时重物的摆动、少量的超载等因素，通过增加重物与吊钩的接触面积，可提高吊钩的承载力。或在设计时增加吊钩的厚度，从而防止意外的发生。

[1]成大先.机械手册：第二卷 [M].3版.北京：化学工业出版社，1997：85-89.

[2]吴鸿庆，任侠.结构有限元分析[J].冶金设备，2008（3）：35-37.

[3]张质文，王金诺，程文明，等.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2001.

[4]李锋，权延慧.基于Pro/E的吊钩有限元分析[J].山西电子技术，2010（6）：14-15.

Finite Element Analysis and Optimization ofHook Based on ANSY S

HE Pengbo，ZHONG Haiquan，JIJingyu
Key State Laboratory of Northwest Petroleum University，Chengdu 610500，China

Hook is an easily damaged part.The hook of work level M4 and No.10 is calculated based on the finite element analysis software ANSYS.The distributions of stress and strain under concentrated load and distributed load are analyzed when the hook is in the simulation experiment.In addition，the influence of hook thickness on hook strength is also analyzed.The calculation results show that for some complex 2D graphics，if applying ANSYS and AutoCAD together and converting data into command stream by Steve-DXF2Ansys software，more complex 2D model can be established，which is conducive to get more realand reliable results.The easily damaged place of the hook is located in loading place and inside bending place，so increasing the contact area between load and hook can increase hook bearing force.In some complicated application situations such as load swaying in hoisting course and slightly overload，the hook strength should be increased by thickening hook in design to prevent accident.

hook；finite element analysis；optimization

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.004

何朋勃（1992-），男，陕西咸阳人，2015级西南石油大学油气田开发专业研究生，从事油气开采理论与工艺研究。

2016-07-29

Email：459550110@qq.com