本研究的對象為一種安裝在碼頭系纜樁上的具有測力功能的智能系泊纜鉤，其基本形狀如圖所示。由于構造等原因，鉤體外部采用折線形，而非常規弧線形。纜鉤方向能夠隨著纜繩拉力而自由調整，纜鉤內壓力傳感器能夠精確測定纜鉤所承受的纜繩拉力。為了能充分利用原有系纜樁，纜鉤尺寸要求盡可能小，因此對這種纜鉤進行有限元分析強度是必要的。由于纜鉤強度主要考慮鉤體部分，所以本研究僅針對鉤體進行了有限元建模，而纜鉤其它部分的尺寸則根據鉤體大小以及布置等要求來確定。首先按照正交試驗方法，對纜鉤進行了有限元應力計算分析，找出了纜鉤各設計參數對其應力影響的規律，然后以計算弧形鉤體強度的基于彈性梁理論的公式為基礎，對有限元計算結果進行了回歸，得到了鉤體最大應力計算的修正公式，從而為纜鉤的優化設計奠定了基礎。
       纜鉤由CrMo鋼鍛造而成，可承受約50t載荷，其安全系數取2，采用第四強度理論，以密息斯屈服準則進行強度校核。纜鉤可采用的截面形式主要有五種：圓形或橢圓形、梯形、矩形、三角形和“T”字型。從受力情況看，T字型截面最為合理，但由于制造復雜，很少采用；圓形及橢圓形截面僅用于小型吊鉤；矩形截面比較笨重，其承載能力未能充分發揮；梯形截面由于分布相對合理，目前最為常用；三角形截面可看作梯形截面的特殊情況。
       對圖所示的纜鉤，按照碼頭使用條件、工藝要求以及系泊纜繩的粗細，用ANSYS軟件對纜鉤16種組合狀態分別進行了最大應力計算。表為具體正交實驗方案和ANSYS計算結果，表中的部分組合可能不符合纜錢設計基本原則，但為了遵循正交試驗的要求和基本思想，同樣也進行了計算。ANSYS是大型通用有限元計算軟件，它不僅提供與其它三維造型程序(如MDT，PRO/E，UG等)的接口，而且自身也具有非常強大的建模能力。對圖中所示纜鉤的鉤體部分，充分利用該軟件“自底而上”的建模方法(由點及線，由線及面，由面及體)，運用“蒙皮”技術以及該軟件提供的強大的布爾運算功能，建立纜鉤有限元分析模型，如圖所示，然后加上載荷和邊界條件后求解，可分別算出16次試驗纜鉤的A點最大應力值，見表極差分析過程見表。
       根據因子各水平的平均值，可得到因子和指標的關系圖，圖中各點的高低相差程度反映了四因子(CB1，B2，H，D)各水平對最大應力的影響大小。點子高低相差大，則因子靈敏度高，為顯著因子，反之則為不顯著因子。從圖可看出，四因子對纜鉤最大應力的影響程度依次為B1>B>D。方差分析是將因子水平變化引起的試驗結果間的差異，與誤差波動所引起的試驗結果間的差異區分開赤的一種數學方法。為了確定四因子(CBS，B2，H，D)對實驗結果影響的顯著程度，需對試驗結果進行方差分析。方差的大小反映出該因素對實驗指標均值的偏離程度。由計算可知，D和E很接近，因此可認定D的方差值不是由該因素的變化引起的，而是實驗誤差的一種反映，與實驗誤差來自于同一個樣本總體，因此D可合并到實驗誤差中，若纜鉤鉤體下部外輪廓為弧形，則可根據曲線梁理論進行強度校核。但圖中的纜鉤外輪廓呈折線形，它改變了鉤身應力分布，如仍按曲線梁理論得出的公式進行應力計算，則需適當修正。
       經分析認為鉤身形狀的變化主要對AA截面高度H產生影響。現假設：本研究采用修訂公式對一些特種纜鉤進行了最大應力計算，并與ANSYS計算結果作了比較。由比較結果可見，修訂公式能夠滿足此種纜鉤在表選定的尺寸變化范圍內工程設計的需要，因此可以認為關于等效截面高度的假定是可以成立的，回歸公式的選用也是合理的。
       對于類似圖中的大負荷高強度纜鉤，取梯形截面較為合理，最大應力發生于AA截面的內側A點，截面高度H與截面外側寬度B1對纜鉤強度有著顯著影響，截面內側寬度B次之。本研究針對這種外輪廓形狀的纜鉤，修訂了計算應力的曲線梁計算公式，計算精度能夠滿足工程計算的需要。對于選定范圍內此種纜鉤的設計與優化有一定的參考價值。

                                                                                  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
                                                                                                                                                      杭州那泰科技有限公司
                                                                              本文出自杭州那泰科技有限公司m.yw15777.cn，轉載請注明出處和相關鏈接！