大吨位起重吊钩装置有限元分析与优化

温进堂 ，马 兵 ，刘永刚 ，韩红安 ，龙宏欣 ，钟 亚 ，邵松涛 ， 李帅阳

（1.长安大学工程机械学院，陕西 西安 716000；2.河南卫华重型机械股份有限公司，河南 新乡 453400）

起重机被广泛用于各种各样的土木工程之中，有着不可替代的地位，起重吊钩是其重要的工作装置之一。如何合理设计起重吊钩对于起重机的正常作业十分重要。为提倡“绿色、环保”的设计理念，在不影响性能的情况下对起重吊钩提出一种开孔式的结构优化方案。本文以大吨位起重吊钩为研究对象，采用三维软件SolidWorks与有限元软件ABAQUS联合仿真，首先分析起重吊钩开孔前后的应力与变形，再对开孔吊钩进行模态分析，提取固有频率和振型，进行动态特性研究，这对起重吊钩的设计有很大的参考作用[1-2]。

1 有限元模型的建立及计算

1.1 吊钩静强度分析

本文选用某8 0 0 t新中式起重吊钩，通过SolidWorks构建其三维模型同时导入ABAQUS里进行分析，忽略倒角、螺栓等的影响。根据GB/T 3811—2008《起重机设计规范》，对其施加静态试验载荷分析；吊钩的材料选用合金结构钢35CrMo，弹性模量为1.9×105MPa，泊松比为0.3，密度为7 800 kg/m3。约束均设置在吊钩上侧端面位置，为固定约束；载荷以1.25倍的额定载荷加载在吊钩两端中心孔与竖直方向成45°夹角，以模拟真实的绳子作用角度[3-7]；根据吊钩结构特点，采用映射加扫掠的网格划分方式，并采用C3D8R的单元类型，网格大小为20 mm，其有限元模型如图1所示。

图1 两种起重吊钩装置有限元模型

1.2 吊钩静力学分析结果

开孔前后两种吊钩在静载试验载荷作用下的静力学分析结果如图2所示。由图2可知，有孔和无孔的吊钩最大的等效应力出现在吊钩内侧，应力状态为拉应力并且应力过渡自然，最大纵向位移出现在吊钩端部外侧；无孔吊钩中间部分应力较小，故采用开孔方式进行优化。静力学结果对比如表1所示。

表1 起重吊钩静力学对比与优化结果

图2 开孔前后起重吊钩应力和变形结果对比

由开孔前后吊钩静力学分析结果可知吊钩整体变形较为均匀，变化较缓和，均满足使用性能要求。对比两种工况吊钩静力学分析结果可知，开孔后起重吊钩应力与变形变化不大，但质量却减少了8.66%，可以对起重吊钩的优化起到一定参考作用。

2 开孔吊钩模态分析

2.1 模态分析概述

在机械工程领域，模态是指机械结构的一种固有振动特性。利用有限元分析进行模态计算能提取每一阶次下对应的一个模态，每个都有其自己特定的固有频率、阻尼和模态振型等表征参数[8]。起重吊钩在起重机工作过程中会受到许多随机载荷的作用，若这些载荷的作用频率与起重吊钩的固有频率接近，就会导致吊钩发生共振现象，使得吊钩振型叠加，大大缩短吊钩的使用寿命，严重时还容易产生吊钩断裂的危险，引发安全事故[9-10]。

2.2 吊钩模态分析提取结果

由机械结构模态分析理论可知，低阶模态对振动系统的动态特性响应有很大的影响，而高阶模态对振动系统的动态特性响应的影响非常小，可以忽略不计。故本文利用Lanczos算法提取起重吊钩的前4阶的非刚体模态的频率和振型，如表2所示。模态振型如图3~图6所示。

图6 第4阶非刚体模态振型

表2 起重吊钩的前4阶非刚体模态的频率和振型

图3 第1阶非刚体模态振型

1）当外部激励的频率与表中起重吊钩频率接近时，有可能产生较大的振幅，将大大缩短起重吊钩的使用寿命；因此在设计时，应尽量避免产生“共振”现象。2）第1、4阶模态振型表征起重吊钩在水平面内的变形，容易受到水平载荷如随机风载荷、回转惯性力以及吊载的左右摆动的影响；第2阶模态振型表征起重吊钩在竖直平面内的变形，容易受到垂直载荷的影响，如吊载和吊钩自重、绳索张力等。

图4 第2阶非刚体模态振型

图5 第3阶非刚体模态振型

3 结论

综上所述，本文对一种大吨位起重吊钩装置提出一种中间开孔的优化设计方案并对其进行了在试验载荷的作用下的静力分析。仿真结果表明，起重吊钩最大的等效应力出现在吊钩内侧，在结构的许可应力范围内，开孔后起重吊钩应力与变形变化不大，但质量却减少了8.66%；在频繁的起重移动作业过程中，吊钩容易受到交变载荷作用，容易发生疲劳破坏，在设计中应该特别注意，该结果为今后的起重吊钩装置的设计提供了理论借鉴。