孙浩兴一针见血 程丽萍张志强
武汉大学动力与机械工程学院 武汉 430072
摘要：转换接头是门式起重机吊具系统的重要承重部件。为了保证转换接头在运行过程中的安全，有必要对其进行受力分析。结合某型门式起重机转换接头的有限元分析、关键参数的灵敏度分析、合理的正交试验设计以及使用Design-Expert对数据进行分析，最终得到优化方案。结果表明，优化方案能够降低转换接头的最大应力，整体变形更加协调，满足实际工程要求。
关键词：门式起重机；转换接头；有限元; 灵敏度; 正交设计
中国图书馆分类号：TH213.4 文献识别码：A 文号：1001-0785 (2018）11-0118-05
0 前言
与港口和货场的其他类型起重机相比，龙门起重机具有场地利用率高、作业范围大、通用性强的特点。在吊装过程中，龙门吊需要专门的吊具和配套的适配器进行吊装施工作业。根据实际吊装要求，结合某型门式起重机的结构，采用管轴吊耳和配套转接器连接的专用吊具进行吊装作业。总体布置如图1所示。
1. 平衡梁2. 连接器3. 管轴吊耳4. 转换接头
图1 适配器示意图
在吊具系统中，转换接头是重要的承重构件，其在额定载荷下的受力对吊装施工作业的安全性有重要影响。为保证吊装过程中转换接头和连接销的安全合理，本文采用有限元软件Ansys建立转换接头有限元模型，对转换接头进行有限元分析。初始设计参数，确定薄弱环节，并利用参数化有限元模型分析得到关键设计参数对受力特性的影响，最后给出优化方案，
1 有限元模型的建立与验证
1.1 单元类型的选择
如图2所示，转换接头有限元模型由转换接头、上下销钉、上下板组成。其中，转换接头的实体部分、上下销、上下连接拉板均选用Solid 187实体单元，转换接头与上下销的接触行为为以及上下销和上下连接拉板，均通过Targe 170靶单元和Conta 174接触元件来定义。
1.2 材料属性
转换接头及上下板采用高强度钢板S690QL1，连接销采用合金结构钢30Cr2Ni2Mo。查阅相关手册后，材料特性如表1所示。通过初步计算，在不考虑材料塑性变形的情况下，转换接头综合应力分布如图 3 所示。最大应力已达到 1 270 MPa 以上，虽然分布面积较小（通常位于上下连接板轴孔内表面，或预留孔区），但已远远超过材料的屈服极限和抗拉强度极限。所以，
在有限元分析中定义材料属性时，使用双线性各向同性强化 (BIOS) 材料模型来模拟材料的塑性强化。双线性各向同性硬化由双线性有效应力和有效应变曲线描述。曲线的初始斜率是材料的弹性模量。当材料的受力超过规定的初始屈服应力时，材料开始产生塑性应变。应力-应变线的斜率等于材料的切线模量 [1]吊车出租，如图 4 所示。
1. 上拉板2. 上销轴3. 下拉板
4. 下销轴5. 转换接头
图2 转换接头有限元模型及边界条件设置
图3 不考虑材料塑性的转换接头综合应力分布图
图4 材料拉伸试验曲线
其中，σ 0 为材料的屈服强度，σ y 为材料的抗拉强度。ET 是材料的切线模量。
当S690QL1的应力达到650 MPa时，其应变为屈服应力（650 MPa）/弹性模量（210 000 MPa）=0.3%。当应力达到 900 MPa 的抗拉强度时，其应变为 14% ，因此切线模量为
同理，30Cr2Ni2Mo的切线模量可计算为1 250MPa。
1.3 边界条件的设置
根据实际吊装情况，使用CERIG命令在转换接头上下板表面生成刚性区域。上连接拉板上表面受刚性区主节点约束，限制其在X、Y、Z方向的运动自由度，而下连接拉板下表面产生刚性区限制其在 X 和 Z 方向的运动自由度，并在其 Y 方向施加垂直集中力，以模拟升降操作过程中转换接头的实际约束和载荷（见图2）.
1.4 联系人设置
转接器与插针、插针与拉板有接触。因此，在进行有限元计算时需要创建接触副，并考虑接触区摩擦的影响，模拟转换接头与销、销与拉板的接触关系。查阅相关手册得知，高强钢S690QL1与合金结构钢30Cr2Ni2Mo的摩擦系数取0.1[2]。
1.5 Mesh收敛分析
有限元计算结果的准确性与网格尺寸有很大关系。计算前应进行网格收敛分析，即保证计算精度不受网格细化程度的影响。转换接头有限元模型用ESIZE命令进行网格剖分，单元尺寸设置为150mm。经过网格细化试计算，发现当单元尺寸减小到100mm时，有限元计算结果变化在5%以内，说明初始网格划分的细度已经达到了计算要求的精度，并且不需要密集的网格划分。
2 有限元计算结果
转换接头综合应力分布如图5所示，最大综合应力为697.475 MPa，最大应力分布在上连接板轴孔内表面，预留孔而下部连接板轴孔部分的区域应力也较大。
图5 转换接头综合应力分布图
转换接头的最大应力值虽然大于材料的屈服强度（650 MPa），但该值远小于材料的屈服强度（900 MPa），较大应力的分布面积较小。因为材料在实际使用中存在冷加工硬化（即材料某区域发生塑性屈服后，再次加载时，该区域材料的实际屈服应力会相应增大），而材料的实际屈服强度会相应增加，不会影响转换接头在实际工程中的正常使用。有限元其他部分的计算结果如表2所示。
根据有限元计算结果，转换接头上下连接销的最大应力远小于销材料实际屈服应力835MPa，满足设计强度要求。
3 关键设计参数分析
根据有限元计算结果可以看出，连接张力板轴孔、下连接板轴孔和预留孔的适配器上部应力较大。因此，通过改变转换接头各部分的结构参数，分析其对转换接头受力分布的影响，进而优化设计方案。
3.1 灵敏度分析
通常，优化方法中使用灵敏度分析来确定设计参数对系统或模型的影响程度，从而确定最优解的稳定性。因此，在Ansys Workbench [3]中对适配器模型进行灵敏度分析，结果如图6所示。图中A代表连接板的孔径，B代表加强环的厚度，C代表上下板的厚度。由图6可以看出，转换接头上下板厚度对转换接头最大应力值的影响呈负相关（随着上下板厚度的增加，最大应力对应转换联合模型的值减小），并且绝对值是三个因素中最大的一个。是的，其次是加强环的厚度吊装平衡梁计算，连接板的厚度对其影响可以忽略不计。
图6 灵敏度分析图
3.2 正交实验设计
正交设计试验是一种利用正交表对试验进行的合理安排。它是利用数理统计的原理，对实验结果进行科学分析，处理多因素实验的一种科学方法[4]。根据上述灵敏度分析结果，选取转换接头上下板厚度、转换接头加强圈厚度、连接板孔径3个变量参数进行正交试验。来确定最优方案。其中，考虑上下板厚度、加强环厚度和连接板孔径四个水平来设计正交试验。试验计划和试验结果见表3。其中，Ki 表示任意一列水平数为 i 时相应实验结果的总和。范围 R 表示任意列上的 R = max{K 1、K 2、K 3、K 4}-min}K 1、K 2、K 3、K 4}。使用Design-Expert软件进行方差分析，数据处理及结果见表4。
当 P-value0.05 时，表示该因子显着（对响应影响很大）。从表4可以看出，转换接头上下板的厚度系数对响应有显着影响，从表4第四列对应的均方值可以看出，RA > RB> RC，所以各因素从初级到次级的顺序为A（转换接头上下板的厚度）、B（转换接头加强环的厚度）、C（转换接头的加强环厚度）连接板直径）与灵敏度分析结果一致。
采用极差分析法可知，试验指标为转换接头的最大应力值，指标越小越好。因此，应选择K 1、K 2、K 3、K 4 的最小值对应的级别。对于因素A，水平4是最好的，对于因素B，因素4是最好的，对于因素C，水平3是最好的。所以最优解为A 4B 4C 3 最优解A 4B 4C 3（即转换接头上下板厚度为80mm，转换接头加强环厚度为50mm ，连接板孔径为177.5 mm)对应的转换接头最大应力值为589.41 MPa。将此数据与表4正交设计方案中的数据制成聚类柱状图，如图7所示。 由图7可以看出，优化方案的转换接头最大应力值显着降低与其他方案相比。另外，如图8所示，优化方案最大综合位移5.602 4 mm，较初始方案减小，整体变形更协调，满足实际工程要求.
图7 转换接头最大应力聚类柱状图
图8 最优方案与初始方案综合位移分布图
4。结论
1） 在初始设计参数下，上连接板轴孔、下连接板轴孔和转接器预留孔处的应力较大，超过了材料的实际屈服极限吊车出租，但该值远小于材料的抗拉强度。由于材料的塑性变形，在实际使用中由于冷加工硬化现象（即材料在一定区域发生塑性屈服后，该区域材料的实际屈服应力会增加，当重新加载），材料的实际屈服强度会随着增加而变化，且材料的塑性变形区域分布较小，不会影响转换接头在实际工程中的正常使用.
2） 适当增加转换接头上下连接板的厚度，可以有效降低转换接头各部分的应力值，改善受力情况；适当增加转换接头加强环的厚度，可以有效减少转换接头上连接板轴孔和下连接板轴孔处的应力值，改善了转换接头键接触面的应力分布轴孔。但是吊装平衡梁计算，随着加强环厚度的增加，适配器的重量增加，预留孔处的应力也相应增加。
3） 根据关键设计参数分析，转换接头上下板厚度的影响因素显着，对转换接头应力值影响较大。转换接头上下板厚度、转换接头加强圈厚度和连接板孔径的合理设计选择，可以有效降低转换接头的应力值。因素的主次顺序为A（转换接头上下板的厚度）、B（转换接头的加强环厚度）、C（连接板的直径）。最优设计方案为A 4B 4C 3.本方案中转换接头的最大应力值较小，
参考
[1] 张宝华，龚良贵．材料力学[M]．北京：北京大学出版社，2011.
[2] 唐劲松．机械设计手册[M]．第三版。中国机械工程, 2004 (11): 947-947.
[3]蒲广义．ANSYS Workbench 12基础教程及详细实例[M]. 北京：中国水电出版社，2013.
[4] 葛亦源. 实验设计方法与Design-Expert软件应用[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2015.
