吊鉤是起重機的重要承載構件，也是應用最廣泛的一種取物裝置。由于除承受吊重外，還受到起升和制動時產生的沖擊載荷作用，吊鉤的結構設計和材料選用要求應保證不會發生突然斷裂的危險。目前國內對起重量小于500t的吊鉤機械性能進行了標準化，并對一些特殊吊鉤開展了強度分析和結構優化。日本的科研人員考慮到不同的載荷工況，利用有限元技術和PSO設計方法對吊鉤的尺寸形狀進行了優化分析，優化結果近似現有設計的錐形截面，西班牙科研人員從材料特性和鏡像顯微組織分析導致吊鉤失效的原因，加拿大某大學的科研人員將用于吊鉤設計的曲線梁理論一般化，提出了不但適用于矩形截面，也適用與雙梯形截面的計算公式。然后上述研究都以單鉤或雙鉤為研究對象，缺乏針對四爪吊鉤的相關研究報道。針對大型非標準化吊鉤設計問題，以某起重量2000t四爪吊鉤為研究對象，應用有限元分析對吊鉤強度進行分析，揭示其應力分布規律和危險截面，并討論了結構優化設計尺寸。
      四爪吊鉤的吊鉤強度計算可參考文獻中雙鉤式鉤身的計算方法，主要考慮B-B和C-C危險截面和頭部直柄A截面，由于吊鉤的形狀復雜，曲面繁多，直接在有限元軟件中創建網格單元存在一定困難，因而先構建三維模型，利用模型接口導入幾何信息以輔助完成網格劃分。通過Solidworks建立的吊鉤模型，如圖所示。具體建模的要點簡述如下：將吊鉤分為鉤尖、鉤身(變截面部分、等截面部幼、吊桿、光桿部分、螺紋連接部)等特征分別建模，并使用圓周陣列得到整體實體模型。鉤尖和變截面鉤身部分先繪制剖面草圖，接著繪制輪廓草圖，選取外輪廓線為開環引導線，使用放樣命令生成相應特征。等截面鉤身部分與吊桿的圓角在圓周陣列前創建，四爪鉤身之間的圓角在圓周陣列后創建，皆選擇生成曲面與曲面之間圓角的選項。省略鉤尖部分和螺紋連接部吊桿，保留主要圓角特征，建立1/4實體模型作為計算吊鉤強度的輸出模型。通過Solidworks生成IGS中性文件并導入MSC.Patran，并注意保持單位一致。
      吊鉤三維有限元模型，如圖所示。鉤身部分采用Tet4單元類型，長度為30mm，上部吊桿采用Wedge6單元類型，長度為3050mm，共劃分19476個節點，82220個單元。吊鉤選用了DG20Mn材料，密度p=7850kg/m3，彈性模量E=2.05xe5MPa，泊松比p=0.3。輸入材料特性，并將該屬性賦予給所建有限元模型。根據客戶的設計要求，除了需校核最大吊重2000t(單側鉤頭偏載50%)情況下的鉤身強度，還要計算單側鉤頭偏載75%和100%兩種工況。三種工況下的載荷作用大小，如表所示。其中關于載荷作用區域的確定，根據起重機使用規范，吊裝過程中鋼絲繩的拉力角度(與豎直方向夾角)一般在20-30°，因此取作用范圍為30°。邊界約束為定義XOY和YOZ的軸對稱面，限制吊桿上端面節點的下方向移動。
      對三種工況的計算結果進行了如下比較分析：(1)工況最大合成應力分別為111 MPa和232MPa，計算結果滿足許用應力要求，吊鉤設計結構強度校核合格。由于受到彎曲與剪切二力的合力，而吊鉤外側受壓應力，內側受拉應力，最大應力發生在內側彎曲處，與豎直方向呈20-45°范圍，區域大小約為(150x120)mm。從圖來看，最大應力位與鉤體外表面，說明鋼絲繩掛在鉤身上所產生的接觸應力主要作用在外表面。接觸區域的應力增加導致吊鉤局部產生一定的塑性變形區域，使接觸應力向著均衡分布的趨勢變化，應力集中得到緩解。選取XY平面鉤身圓弧外表面的各個節點，得到應力分布清況，如圖所示。將應力結果分各區域，給出了所對應區域位置。從圖中可以看出，三種工況得到的應力分布曲線一致，最大應力值均出現在II區域。I區域在接近豎直方向時應力值快速上升，III區域在接近吊桿連接位置時的各工況計算結果相差不大。力雖然載荷作用在I區域，但三種工況得到的應力較高位置主要集中在III，其中II區域夾角為45°左右。選取D-D截面載荷作用區域的各個節點，得到應力分布情況。從圖中可以看出，三種工況得到的應力分布曲線一致，應力值從Z=0位置平緩下降。

                                                                                  專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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