懷玉蘭，孟憲舉，李軍，張榮建

(1.河北聯(lián)合大學研究生學院，河北 唐山063009;2.河北聯(lián)合大學機械學院，河北 唐山063009)

0 前言

卸扣在中國是一個新型行業(yè)，是吊索具的一種，普及程度還很低。未來發(fā)展空間非常巨大。據(jù)業(yè)內(nèi)人士預計，未來行業(yè)的年均需求增速將達到20%以上。卸扣的應用范圍非常廣泛，適用于各個工業(yè)制造、大型吊裝和工程建設領域。特別是小于150噸的圓形截面的D型、弓形卸扣應用廣泛，生產(chǎn)歷史較長。由于國內(nèi)對卸扣的材料和結(jié)構(gòu)研究不夠深入，缺乏在安全設計系數(shù)下的可靠設計方法，目前只能依靠國外的樣本進行模仿制造。目前卸扣的設計還主要依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗和實驗進行設計，耗費大量的人力物力。通過對小型圓截面卸扣運用分析軟件ANSYS進行結(jié)構(gòu)分析，模擬計算卸扣的實際破斷載荷以及破斷位置，從而為卸扣的開發(fā)生產(chǎn)和安全使用提供理論依據(jù)。

有限元法的應用范圍非常廣泛，它不但可以解決工程中的線性問題、非線性問題，而且對于各種介質(zhì)為不同性質(zhì)的固體材料，如各向同性和各向異性材料、粘彈性材料以及流體等力學問題和相關的其他問題均能求解。圖1給出了圓截面卸扣結(jié)構(gòu)分析流程圖。

圖1 利用ANSYS對卸扣進行結(jié)構(gòu)分析

運用有限元方法對圓截面卸扣進行受力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在保證強度、剛度的前提下，提供最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式，使產(chǎn)品具有最好的使用性能和最低的材料消耗與制造成本，以便獲得最佳的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 有限元模型建立

1.1 建立幾何模型

采用美國參數(shù)技術公司(PTC)開發(fā)的三維造型軟件—Pro/Engineer建立卸扣的本體和銷軸，并采用裝配功能進行裝配，卸扣主要部件包括本體和銷軸，考慮到卸扣是對稱結(jié)構(gòu)，為了節(jié)省計算時間和資源，對卸扣四分之一進行分析。對卸扣受力狀態(tài)進行研究可知，本體的約束源于上部的吊件，二者之間是接觸關系，而銷軸的載荷的來自于銷軸上的加載吊件，二者之間也是接觸關系，因此，在受力過程中本體的約束部位和銷軸的受力部位是隨時可能移動的，如果計算中不考慮這兩個部件，則很難預測加載過程中本體的約束部位以及銷軸的受力部位，從而不可能準確施加系統(tǒng)的約束條件和載荷條件，而導致模擬的失敗。因此為了準確模擬加載過程中卸扣的受力狀態(tài)以及其變化，在PROE模型的基礎上，在ANSYS中進行了模型補充。在ANSYS中的卸扣模型上主要添加了上下部兩個吊件的實體有限元模型，如圖2所示，由于沒有詳細的吊件圖紙，吊件模型基于受力狀態(tài)的示意圖進行了假定和簡化處理，將上部吊件簡化為直徑0.09 m的柱體，而將下部吊件簡化為寬度0.073 m，內(nèi)徑略大于銷軸外徑的半圓環(huán)體。下部吊件位于銷軸中央部位。

圖2 簡化的卸扣模型

1.2 材料的選擇

ANSYS中提供了各種典型材料的屬性，同時還支持自定義材料屬性，包括彈性、塑性、彈塑性等。根據(jù)課題和現(xiàn)場的需要，本體與銷軸采用彈塑性材料，材料屬性選擇:

彈性模型:E=2.1e11Pa;

泊松比: μ=0.3;

屈服強度:δs=3.55 ×108Pa;

抗拉極限:δ=6.00 ×108Pa;

密度:7800 kg/m3。

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格模型對計算精度和穩(wěn)定性有很大的影響，網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響計算的精度和速度。一般來講，網(wǎng)格數(shù)量增多，計算精度會有所提高，但相應的計算規(guī)模也會增加，尤其是在進行接觸分析時，接觸單元的存在，使計算量非常大，尤其是對計算機內(nèi)存的要求相當高。因此，模型全場采用高精度的六面體solid185單元進行劃分，設置單元格的尺寸大小為0.030m，得到卸扣的有限元模型，如圖3所示。單元數(shù)74268，節(jié)點數(shù)82448。

圖3 卸扣有限元模型

2 有限元模型求解

2.1 載荷施加

上部吊件和本體之間建立面對面接觸關系;本體與上部吊件建立接觸關系;下部吊件與銷軸以及本體之間均建立接觸關系;本體與銷軸之間為緊固關系;下部吊件施加0.03m的位移載荷。

2.2 求解項設置

本次的求解為結(jié)構(gòu)非線性分析，因此選擇Structural(ANSYS)為分析類型。

由于結(jié)構(gòu)非線性分析涉及到材料和接觸問題，為了提高收斂性，打開線性搜索、激活時間積分、打開大變形及設置載荷子步。

與本體接觸的上部吊件直接固定處理。與銷軸接觸的下部吊件為直接受力部件，由于材料在破壞中處于一種非穩(wěn)定狀態(tài)，為了保證非線性計算的穩(wěn)定性，計算采用位移加載方式，在下部吊件的加載處施加向下的位移載荷，通過考察該點在位移過程中的反作用力大小來獲取所施加載荷的大小。

通過分步加載方式追蹤材料的塑性發(fā)展并確定破壞時刻的載荷步以及相應的載荷。

3 有限元計算結(jié)果分析

計算采用ANSYS軟件的非線性仿真模塊，考慮大位移、大應變、塑性和接觸關系進行計算。圖4卸扣銷軸的下部吊件加載后，0.03m位移載荷施加完畢后的卸扣等效應力分布圖。

圖4 卸扣等效應力圖

由圖4可以看出，在加載過程中，關鍵受力部位的等效應力很快達到極限應力，通過對卸扣材料進行拉伸實驗得出表1。

表1 卸扣材料應力應變

0.03m的位移載荷施加完畢后，卸扣本體和銷軸載荷均有大范圍的等效應力達到了極限應力。在等效應力達到極限應力的情況下，通過塑性應變可以更好地判斷變形發(fā)展和破壞的趨勢，圖5為載荷施加完畢后卸扣的等效塑性應變分布圖。由圖5可見，最大等效塑性應變出現(xiàn)在銷軸上。

圖5 卸扣等效塑性應變

本計算中材料失效的評判標準采用等效塑性應變與極限應力塑性應變，當?shù)刃苄詰兂^材料的極限應力塑性應變時認為材料失去剛度破壞。當材料全斷面材料均失去剛度時認為結(jié)構(gòu)整體破壞。通過表1看出卸扣材料的極限應力塑形應變?yōu)?.01201，通過圖5可以看出，卸扣整體的等效塑形應變遠遠超過了材料的極限應力塑性應變，因此判斷卸扣失效，卸扣發(fā)生極限應力塑性應變的位置在銷軸部位。圖6為銷軸破壞失效照片，由圖6可以看出，卸扣失效往往由銷軸破壞引起。

圖6 銷軸破壞失效

4 總結(jié)

利用ANSYS軟件，對圓截面卸扣進行了結(jié)構(gòu)分析，建立了卸扣的有限元模型，在適當?shù)募僭O條件下，可以看出卸扣整體發(fā)生破壞失效往往由銷軸破壞引起。本計算考慮了卸扣構(gòu)件之間的相互作用和實際受力狀態(tài)，建立了合理的有限元模型，并考慮材料試驗應力應變數(shù)據(jù)，進行了加載全過程的非線性仿真，并從塑性應變的角度判斷結(jié)構(gòu)是否失效。計算結(jié)果得到了加載全過程中卸扣的變形、應力、應變的發(fā)展情況。模擬計算結(jié)果表明，破壞部位位于銷軸的橫斷面處。本研究對卸扣是否能夠達到超載試驗的要求進行了分析，為工程實踐提供有力的數(shù)據(jù)支持。

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