大钩疲劳稳定性有限元分析

吕加华

中石化石油工程设计有限公司， 山东 东营 257000

摘要：起吊设备配备的大钩在起吊过程中主要承受不同设备的总量，并且由于起吊频繁，因此大钩的疲劳稳定性尤为重要。现以某品牌配备的大钩为分析对象，对大钩的疲劳稳定性进行校核。结果表明大钩各主承载件满足要求。

关键词：大钩；疲劳；稳定性；有限元

1 疲劳分析

1.1概述

为研究大钩的疲劳稳定性，现以某品牌大钩（额定载荷：1600KN）为研究对象，对大钩的疲劳稳定性进行有限元校核。

1.2材料及力学性能指标

大钩主承载件主要包括中心轴、钩体销轴、钩体主承载件材料及其材料力学性能如表1所示：

1.3疲劳分析施加的载荷与预期循环次数

根据产品设计要求，对提升设备载荷循环次数在疲劳分析中的取值规定设备的预期的载荷循环次数为3.6E5，选取当量载荷为549.8KN。

1.4有限元模型

将大钩主承载件在装配下进行有限元分析。其中，选用实体单元SOLIDI187，接触单元CONTA174、TARGE170。共划分单元数：114075节点数：197352。

1.5疲劳分析

大钩主承载件中心轴、钩体销轴、钩体的交变应力分别如图1~图3所示。

图1中心轴交变应力图 图2 钩体销轴交变应力图 图3 钩体交变应力图

1.6结论

根据要求对选定设备预期的载荷循环次数和当量载荷针对大钩主承载件进行疲劳分析，分析结果如表2所示：

由分析可知，大钩各主承载件最小疲劳循环次N_min=3.86E6＞Nf=3.6E5，所以大钩各主承载件疲劳寿命满足设计要求。

2 稳定性分析

2.1概述

大钩的中心轴主要承受拉伸力，钩体销轴及钩体主要承受拉伸力，但由于作用力偏心，所以钩体销轴及钩体还承受附加弯矩。根据稳定性原理，钩体销轴及钩体存在结构失稳的可能，因此，对其进行稳定性分析。

2.2有限元模型

为保证分析结果尽量可靠，将中心轴、钩体销轴与钩体组成装配体来进行稳定性分析，钩体销轴连接在中心轴、钩体之间可提高大钩结构的稳定性。其中，选用实体单元SOLID186、SOLID187，接触单元CONTA174、TARGE170。共划分单元数：114075，节点数：197352。

2.3静态约束及载荷

在中心轴上端面全约束，同时在钩体上施加额定载荷1600KN。

在中心轴上端面全约束，同时在副钩体上施加额定载荷800KN。

2.4稳定性计算及结果分析

首先进行额定载荷下的静力分析，然后将结果导入稳定性分析模块，计算装配体前五阶失稳安全系数及失稳形态。结果如表3和表4所示。

2.5结论

由表4可见，最低阶（一阶）失稳安全系数可达到140.51远远大于大钩许用安全系数3（注：稳定性安全系数应不小于精强度安全系数），其余各阶安全系数更高。钩稳定性满足要求。

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