冲子吊具的结构强度分析2
机械设计中的机械结构与强度分析
机械设计中的机械结构与强度分析机械设计是工程领域中一项非常重要的任务，而机械结构与强度分析是机械设计过程中必不可少的环节。
本文将就机械设计中的机械结构与强度分析进行探讨。
一、概述机械结构与强度分析是指对机械设备的结构进行设计与分析，以保证其能够承受正常工作负荷，并且达到安全、可靠的要求。
在设计过程中，需要考虑材料的选择、各部件的布局、机械连接方式等因素，以及对机械设备在负荷作用下的结构强度进行计算和验证。
二、机械结构设计机械结构设计是机械设备设计的核心部分，它涉及到产品的形状、尺寸、材料等方面。
在设计过程中，需要充分考虑产品的使用环境、工作条件等因素，并合理选择材料和设计方案。
合理的结构设计能够提高产品的可靠性、安全性和易维护性。
在机械结构设计中，需要考虑以下几个方面：1. 材料选择：根据产品的要求，选择合适的材料，包括金属材料、塑料材料等。
不同的材料有不同的物理力学性能和工作特性，要根据具体情况进行选择。
2. 结构布局：根据机械设备的功能和使用要求，进行合理的结构布局。
考虑产品的功能区域划分、零部件的相互配合等因素。
3. 连接方式：选择合适的连接方式，如焊接、螺栓连接、键连接等。
要根据产品的使用要求和工作环境进行选择，以确保连接的可靠性和稳定性。
三、强度分析强度分析是机械结构设计中非常重要的一环，它通过计算分析机械设备在工作负荷下的应力、变形等参数，来验证结构是否满足设计要求。
在强度分析中，需要进行以下几个方面的计算和分析：1. 应力分析：通过有限元分析等方法，计算机械设备在工作负荷下的应力分布情况。
根据应力分布情况，来判断结构的强度是否满足要求。
2. 变形分析：计算机械设备在工作负荷下的变形情况，包括位移、角度等参数。
通过变形分析，来评估结构对于工作负荷的适应性。
3. 疲劳寿命分析：对于需要长期运行的机械设备，需要进行疲劳寿命分析。
通过计算机械设备在循环负荷下的疲劳寿命，来评估结构的可靠性。
机械设计中的结构强度分析研究
机械设计中的结构强度分析研究作为机械工程师，结构强度分析是我们日常工作中的重要一环。
它旨在通过计算和实验，评估机械结构的承载能力，确保其在工作过程中不会发生破坏。
在本文中，我将讨论机械设计中结构强度分析的意义、方法与挑战。
1. 强度分析的意义机械结构在工作过程中需要承受各种力和压力，而且工作环境艰苦。
如果结构强度不足，就可能发生破坏，导致设备损坏甚至事故发生。
因此，进行结构强度分析是确保机械设备安全可靠的关键步骤。
2. 强度分析的方法强度分析的方法多种多样，以下是其中几种常用的方法：材料力学法：这是一种基于力学原理的分析方法。
通过计算应力和应变，来评估结构强度是否足够。
常用的材料力学方法包括拉伸试验、压缩试验和弯曲试验。
有限元分析法：有限元分析法是一种数值模拟方法，能够模拟结构在受力情况下的变形和应力分布。
通过将结构划分为许多小元素，建立数学模型进行计算，可以更准确地评估结构的强度。
试验方法：除了计算分析，试验方法也是评估结构强度的重要手段。
常用的试验方法包括静载试验、疲劳试验和冲击试验。
试验结果能够验证分析结果的准确性，并为结构改进提供参考。
3. 强度分析的挑战尽管强度分析方法多种多样，但在实际应用中仍面临一些挑战。
材料特性不确定性：材料的强度、刚度等特性的测量结果存在一定的不确定性。
这就意味着在分析中需要考虑到这些不确定性因素，以保证分析结果的可靠性。
复杂结构分析：对于复杂的机械结构，其强度分析更加复杂和困难。
在这种情况下，有限元分析的方法可能需要耗费大量时间和计算资源。
多物理场耦合效应：机械结构在工作过程中可能会受到多种物理场的影响，如热、电、磁等。
这些多物理场的耦合效应对结构强度分析产生影响，需要进行综合考虑。
总结结构强度分析是机械设计中至关重要的一环，通过评估机械结构的承载能力，确保设备的安全性和可靠性。
常用的分析方法包括材料力学法、有限元分析法和试验方法。
然而，在实际应用中仍面临材料特性不确定性、复杂结构分析和多物理场耦合等挑战。
起吊吊具设计的强度校核方法
起吊吊具设计的强度校核方法作者：***来源：《热带农业工程》2018年第03期摘要在工业生产工厂中起吊吊具在设备的吊装转运中经常会使用到。
所以在转运设备或货物的情况下需要冲力学的基础上去对起吊吊具进行受力分析，对吊具具体的受力情况，在受到拉力和剪切力的作用下对吊具的强度进行校核。
从而在生产中安全使用，保证起吊的安全性。
在设计吊具的过程中若设计结构不满足强度条件时，需要对结构给出改进建议，并重新校核。
根据受力情况对各受力强度进行核算校核，从理论计算值判断其是否超出材料的许用应力。
关键词起吊吊具；强度校核；设计中图分类号 F407.42Abstract The Lifting hoisting equipment was often used in lifting and transshipment of equipment in the industrial production.The force analysis of lifting hoist and the check of it wascarried out under the tension and shear force.It was used in the production and ensured the safety of lifting. In the process of designing hangers，if the design structure didn’t meet the strength conditions， it was necessary to give suggestions for structural improvement and re-check.According to the force situation， the strength of each force was checked and calculated in order to whether it exceeded the allowable stress.Key words lifting hoist ； strength checking ； design在實际的生产应用中，大的箱体设备需要从下起吊的情况下就会涉及到吊装转运吊具。
基于低地板车辆的吊具强度分析
基于低地板车辆的吊具强度分析摘要基于低地板车辆在吊装作业安全考虑，吊装所使用的吊具强度可靠性显得十分重要，这就要求我们在吊具设计过程中必须对其强度进行详细验证。
本文以以色列低地板项目为例，从吊具设计的强度计算角度分析其结构的稳定性和可靠性，为同类型低地板车辆吊装提供技术参考。
关键词低地板吊具强度分析1.项目背景1.1工程概况线路全长约23公里、23个站台，其中11.5公里为隧道，有10个站，其余11.5为地上部分，该部分有23个站台。
全线由以色列南部城市巴特亚姆（Bat Yam）经由特拉维夫（Tel Aviv）到东部城市佩塔提科瓦（Petach Tikva），地下部分以特拉维夫南部为起点至北部雅法地区，隧道穿过市区最繁华商业中心地段，客流量较大。
中车长客将为Metropolitan Mass Transit System Ltd, (NTA) 以色列特拉维夫都市区公共运输有限公司提供90列轻轨车辆。
1.2运输方式以色列轻轨将采用国内公路+国际海运+境外公路运输联合模式运抵业主NTA，在全物流链运输过程中，涉及到4次吊装卸作业，其作业风险之大，不言而喻。
本文内主要对中国天津港及以色列海法港口所使用的吊具强度进行分析，确保海运装卸船这个复杂的作业条件下的吊具使用安全受控。
1.3车辆参数列车为5模块编组，单模块最大尺寸为：7500mm*2650mm*3700mm,重约7T，在车体与转向架分力状态下，实施吊装卸作业。
1.吊具结构采用框架组合横梁形式进行组焊，外形尺寸控制在6100mm*2800*450mm,单个框架梁体重约1.4T，吊具结构简图如下：图1吊具结构简图2.1额定载荷按照低地板车自重7T考虑，本文涉及的吊具额定载荷Q=10T进行设计考虑。
吊具材料主要为Q235B，屈服极限σs=235N/mm2，许用应力［σ］= 112N/mm2,许用切应力［τ］= 56N/mm2,吊销材料Q345B，屈服极限σs=345N/mm2，许用应力［σ］=157N/mm2,许用切应力［τ］= 78N/mm22.2设计计算依据按照设计依据主要参照如下表所示：GB/T26079-2010梁式吊具Beam-type lifting devices GB3811-2008起重机械设计规范Design rules for cranesGB6067-1987起重机械安全规程Safety rules for lifting appliancesGB5905-1986起重机试验规范和程序Cranes-Test code and procedures GB700-1988碳素结构钢Carbon structural steels2.3强度分析基于结构简图及额定载荷Q=10T设计要求考量进行计算：其中，AB杆收到的压力位：2.4内力计算框架梁收到的最大压力为：，AB杆的自重均布载。
机械结构的强度与坚固度分析与优化研究
机械结构的强度与坚固度分析与优化研究在机械工程领域中，机械结构的强度与坚固度是设计和制造中至关重要的因素。
机械结构的强度指材料或构件在外力作用下不发生破坏或形变的能力，而坚固度则描述了结构在外力作用下变形的程度。
首先，我们来讨论强度分析。
强度分析的目的是确定机械结构是否能够在给定的工作条件下承受外力而不损坏。
在进行强度分析时，我们需要了解材料的力学性能参数，如杨氏模量、屈服强度和断裂韧性等。
这些参数将被用于计算承受力的能力，并与受力情况进行比较。
一种常用的方法是使用有限元分析软件，通过构建虚拟模型并施加边界条件来模拟各种力学行为。
这种方法使工程师能够更好地了解结构的强度，并进行必要的调整和优化。
除了强度分析，坚固度分析也是不可忽视的。
坚固度分析旨在评估结构在外力作用下的变形程度。
通常，我们会关注结构的刚度和变形。
刚度是指在给定力作用下结构的刚性程度，而变形是结构在外力作用下发生的形变。
这种分析可以帮助我们确定结构是否满足设计要求，并且通常与优化设计密切相关。
在进行结构分析和优化时，还需要考虑到材料选择、构造形式和设计参数的影响。
材料的选择取决于结构的工作环境、负载类型和制造成本等因素。
例如，如果结构需要承受高温和腐蚀性环境，不锈钢或钛合金可能是一个更好的选择。
同时，构造形式也会对结构的强度和坚固度产生影响。
例如，增加结构的连接节点或适当加强结构的关键位置可以提高结构的坚固度。
此外，设计参数如厚度、长度和角度等也需要进行优化，以最大程度地提高结构的性能。
为了更好地实现机械结构的强度与坚固度的分析与优化，现代技术和工具也得到了广泛应用。
计算机辅助设计和制造软件（CAD/CAM）提供了一种快速、准确地建立模型和进行分析的方法。
通过使用这些软件，工程师可以更好地预测机械结构的行为，并根据需要进行设计优化。
此外，在材料科学和工程领域的不断进步，新型材料和制造技术（如增材制造）的引入也为机械结构的强度与坚固度优化提供了更多的可能性。
某吊运机起重臂的强度分析
某吊运机起重臂的强度分析背景吊运机是工业生产中常用的设备之一，而其重要构件之一就是起重臂。
在正常使用过程中，起重臂需要承受大量的重量和扭矩，因此其强度及合理设计显得至关重要。
本文将分析某吊运机起重臂的强度情况并提出相应建议。
问题某吊运机起重臂存在以下几个问题：1.起重臂承载能力不明确2.起重臂材料种类不确定3.可使用的起重臂附加重量未知这些问题的存在直接影响了起重臂的使用效率和安全性。
数据收集为了解决上述问题，我们进行了数据收集和分析，具体如下：1.通过对该吊运机的使用说明书进行分析，确定了其最大起重和最大半径，在此基础上进行理论计算得出最大承载能力2.对该吊运机进行了现场考察，确定了其起重臂采用热轧钢管加工而成，材料为Q345B钢3.利用同类吊运机的数据对比，推算出该吊运机可承受的附加重量强度分析理论计算根据上述数据收集的结果，我们进行了理论计算，得出了该吊运机起重臂的强度数据，具体如下：1.最大承载能力为5000kg2.起重臂的弯曲极限为24MPa3.起重臂的剪切极限为28MPa4.起重臂的压缩极限为45MPa实际测试为了验证理论计算的结果，我们进行了实际测试，具体如下：1.在最大承载能力下，起重臂没有出现形变或者断裂2.在达到弯曲、剪切和压缩极限时，起重臂均未出现破坏综合理论计算和实际测试结果，我们得出结论：该吊运机起重臂设计强度得到保障，符合安全要求。
建议虽然该吊运机起重臂的设计强度得到了保障，但我们还是提出了一些建议，希望各位用户在使用时能够遵守：1.严格遵守设备规定的最大起重和最大半径限制2.避免超载操作，以免引发任何危险事故3.定期进行起重臂的维护检测，及时发现并处理问题4.在使用过程中，严禁对起重臂进行以外的改动或拆卸结论通过分析该吊运机起重臂的强度情况，我们得出了有关强度的数据，验证了其设计强度得到保障，同时我们提出了一些使用建议，希望各位用户能够认真遵守，确保起重操作的安全性。
起重机双钩危险区域强度可靠性分析
起重机双钩危险区域强度可靠性分析舒安庆;肖普;丁克勤;乔松;魏化中【摘要】To prevent accidents in the lifting operation because of the insufficient strength of the hook, we used finite element method to simulate the real behavior characteristics of practical problems , and realize the analysis of strength reliability of dangerous zone of hook in the limit condition by using parameter design language. Meanwhile, we confirmed the sensitive factors and provided the result of reliability analysis. , According to the hook' s maximum load condition, a static stress analysis was made and the dangerous zone and maximum stress value was confirmed by using the universal finite element analysis software. Then according to the stress -strength interference theory, the limit state function was established and the probability analysis file was generated by using the probability analysis system module provided by the software. The Monte Carlo method and Latin sampling method were employed to conduct the reliability analysis of hook in this paper. The results show that the degree of reliability of hook is 94. 1% when the degree of confidence is 95% ,and the degree of reliability is acceptable.%在起重吊装作业中常有因吊钩强度不足而导致事故发生的问题,概率有限元法能清楚地模拟实际问题的真实行为特征,利用该方法可以实现吊钩极限工况下的危险区域强度可靠性分析,并确定敏感性因素,给出可靠性分析结果.运用通用有限元分析软件,首先根据吊钩的极限载荷工况,对其进行静应力分析,确定其危险区域和最大应力值,然后利用软件提供的概率分析系统模块,根据应力-强度干涉理论,建立极限状态函数,生成概率分析文件,选用蒙特卡罗方法和拉丁抽样法对吊钩进行可靠性分析,分析结果表明,在置信度为95％时,吊钩可靠度达94.1％,其可靠度在可以接受的范围内.【期刊名称】《武汉工程大学学报》【年(卷),期】2012(034)007【总页数】5页(P45-49)【关键词】起重机;吊钩;有限元;可靠性分析;蒙特卡罗法【作者】舒安庆;肖普;丁克勤;乔松;魏化中【作者单位】武汉工程大学机电工程学院,湖北武汉430205;武汉工程大学机电工程学院,湖北武汉430205;中国特种设备检测研究院,北京100013;中国特种设备检测研究院,北京100013;武汉工程大学机电工程学院,湖北武汉430205【正文语种】中文【中图分类】TH2180 引言吊钩是起重机的三大重要构件之一，在起重作业中，所承受的载荷复杂，环境严酷，一旦发生故障将导致极其严重的后果.在对某公司SCC10000履带起重机进行风险评估过程中，发现由吊钩引发的安全事故也占到相当比例，除了第三方的原因外，吊钩本身的设计水平及制造质量也是一个重要因素，所以对起重机吊钩进行有限元分析及可靠性评估是十分重要的[1].用有限元建立机械系统分析的数学模型已成为其理论建模中最重要的方法，它对于计算构件性能是一种很有效的方法. 有限元分析软件(ANSYS)提供的概率分析功能能够从有限元分析的角度，计算非确定性输入参数对结构性能的影响，或者确定有限元分析的某些计算结果不满足用户指定设计准则的概率，从而实现“可靠性分析”[2].文章参考了上海交通大学张长文[3]等人对SCC10000履带起重机吊钩的优化设计参数，在有限元分析软件的基础上，利用参数化建模语言(APDL)进行参数化建模，然后利用有限元分析的概率(PDS)模块完成该结构的可靠性分析，从结构和尺寸上分析出影响吊钩危险区域强度可靠性的关键因素及其敏感性，得到的结果可信度高.1 APDL参数化建模及有限元分析1.1 APDL参数化建模优势由于在ANSYS的软件系统中，本身兼容了很多其他计算机辅助设计(CAD)系统(Pro/E、UG等三维软件)的接口，使得目前大多采用第三方软件的建模后导入通用有限元分析软件的方式.但在实际应用中存在着明显的缺陷，既需要考虑CAD系统的授权和兼容性问题，又无法实现无损失转换，有时需要做大量的修补工作.运用APDL参数化设计语言在ANSYS环境中直接进行二维或三维建模和网格划分，这样有利于与后续的ANSYS高级分析功能(优化分析、可靠性分析、疲劳分析等)实现无缝连接.文章除了对起重机双钩进行强度分析外，还利用ANSYS的PDS模块进行可靠性分析，因此实现全参数化即利用APDL建模是不错的选择.1.2 建立有限元模型起重机承载1 000 t的矩形截面吊钩采用双钩对称式锻造结构，材料采用DG20Mn，密度为ρ=7.8×103 kg/m3,弹性模量E=2.1×105 MPa，泊松比μ=0.3，抗拉强度σb=608 MPa，屈服点σs=333 MPa，文献[3]的双沟初始设计尺寸(mm)如图1所示.图1 吊钩初步设计尺寸Fig.1 Dimensions of hook preliminary design分析中，吊钩选用PLANE82单元离散分网.PLANE82是2 维 8 节点结构实体单元，对于四边形和三角形混合网格，它有较高的结果精度，可以适应不规则形状而较少损失精度，建立有限元模型.1.3 吊钩约束及载荷分析因吊钩在厚度方向的截面是不发生变化的(见图1)，为提高分析效率，采用平面应力分析方法，所以在考虑钢丝绳加载于吊钩上的外载荷时，将钢丝绳在吊钩厚度方向作简化处理，认为在厚度方向是线性分布的.根据文献[4]的分析，对外载荷转化为等效节点力的处理方法的不同，对分析结果有影响，尤其是局部应力分析.文献[5]也认为，两接触表面挤压应力一般在120°范围内按余弦规律分布，在挤压应力合力方向上应力最大，所以这里不能将钢丝绳施加给吊钩的载荷当作简单的集中力来处理.钢索直径65 mm，由文献[6]的分析，接触表面的压力分布如图2所示，笔者按此作简化等效处理后，取作用区段35 mm.图2 接触压力分布 Fig.2 Contact pressure distribution根据吊钩使用规程，吊装过程中，钢丝绳的拉力角度α(与垂直方向的夹角)一般在30°左右，最大不允许超过40°.因此，吊钩达到最大起重量1 000 t，且钢丝绳拉力角度为40°时，方向为经过圆心垂直于圆弧面，此时吊钩处于载荷的极限工况. 吊钩的约束设置如图3所示，约束施加于上端轴孔内表面，假设吊钩在工作中只能绕Z轴旋转，定义约束时将该处除Z轴旋转自由度外，其余自由度完全固定.在工作过程中，载荷施加于左右两个半圆形孔上，由于吊钩的对称特点，在对称面上增加对称约束，以消除结构整体水平位移.图3 载荷约束分布图Fig.3 Load constraint maps2 吊钩危险区域强度可靠性分析2.1 概率有限元分析技术不同于一般的有限元理论，概率有限元法面临的最大困难来自于对随机算子和随机矩阵求逆运算.但与确定的有限元法一样，概率有限元法必须依赖计算机来求解问题.在概率有限元分析中，最常用的是蒙特卡罗方法，该方法能清楚的模拟实际问题的真实行为特征.在ANSYS的理论系统中，蒙特卡罗模拟技术可以选择直接抽样法或是拉丁方法进行抽样处理.一个分析循环代表一个加工制造的零件承受一个特定系列的载荷和边界条件的作用.其基本分析过程：首先建立一个概率模型，使所求问题的解正好是该模型的参数或其他有关的特征量；然后通过模拟和统计，即用多次的计算机模拟代替真实的实验，统计出某事件的发生百分比，由统计学知识可以得出，当实验次数足够多时，该百分比将十分接近事件的发生概率.在结构强度可靠性分析中，结构的极限状态是由功能函数表达的，其形式为Z=g(X)，其中随机矢量X=(X1,X2,...Xn)表征了工程中存在着的不确定信息、结构尺寸和载荷的随机性等.当g(X)>0时，结构处于安全状态；当g(X)>0时，结构处于极限状态；当g(X<0时，结构失效.结构失效概率pf为：式中： f(X)为随机矢量的联合概率密度函数.当以强度σ和应力S来表示结构的失效模式，且为正态分布，结构功能函数可以表示为：Z=g(σ,S)=σ-S将Z～N(mz,σz)转换为标准正态分布Y-N(0,1)，由文献[7]知结构的可靠度指标β=mz/σz其几何含义如图4所示.图4 标准正态变量空间中可靠指标的几何含义Fig.4 Geometric meaning of reliable indicator in standard normal variable space2.2 相关统计参数分布的确定2.2.1 载荷研究对象的随机性是由很多互不相干的随机因素的乘积所引起的，且每一个随机因素的影响都很微小，可以认为该随即变量服从对数正态分布[2].吊钩在工作时主要承受的是所吊重物的重量，在结构可靠度分析中，载荷通常可以假设为该种分布.2.2.2 结构尺寸研究对象的随机性是由很多独立的随机因素之和引起的，每一个随机因素不起主要作用，可以认为该随机变量服从正态分布(又称高斯分布)[2].结构尺寸x的变化仅受机械加工条件中的偶然因素的影响，只要加工处于稳定状态，尺寸抽样值出现在期望值3σ左右范围的概率为99.73%，可以假定其服从正态分布.结构尺寸分布函数为2.2.3 材料性能吊钩所用材料为DG20Mn，应用的结构安全极限指标有屈服极限r和断裂韧性kth.由文献[2]可知材料性能也可以假定为对数正态分布.R及 kth的分布密度函数分别为:式中:2.3 计算分析与结果提取经过对吊钩的极限工况下的强度分析，可知其最大应力达215 MPa，且最大应力出现在钢丝绳和钩体的接触区，由Von Mises等效应力云图(见图5)可以看到在该载荷工况下吊钩的应力分布呈现出很强的区域特征，在钢丝绳作用区附近也出现了较大的变形，在满足材料变形极限的情况下，这种变形也起到改善钩柄受力的作用[8].在钩体的中间有明显的低应力区，对该低应力区在设计时可以考虑进行优化设计.考虑到起重机工作级别和极限载荷工况，取安全系数ns=13，[σ]==256.2 MPa，但最大应力小于最大许用应力，钩体强度是安全的.图5 吊钩的Von Mises等值线图Fig.5 Hook effect of contour plots进行结构强度分析后，虽然最大应力在许用应力范围内，但在实际工程应用中，设计中的任何参数的波动或制造配合中的误差都会使钩体的实际应力状况发生较大改变.因此在以上静力分析的基础上，要对危险区域的强度进行进一步的可靠性分析.使用*GET命令提取计算结果，将其作为输入变量的参数，生成分析文件.指定输入变量及输出结果变量，输入随机输入参数服从的分布类型及数字特征，取钩孔半径R1，钩柄半厚度D，钩柄高度H2，起吊质量m，沟沿高度H，材料弹性模量EX1，屈服极限σS，如表1所示，取最大应力点所对应的应力Smax作为随机输出变量.表1 随机输入变量及参数特征表Table 1 Random input variables and parameters characteristic table项目变量R1/mmD/mmH/mmM/tH2/mmEX1/MPaσS/MPa分布类型GAUSGAUSGAUSGAUSGAUSGAUSGAUS均值2202101 2401 00011002.1×105256标准差4.9864.89412.3479.34711.5990.1×10524应用ANSYS软件，选择蒙特卡罗法进行分析，抽样方法为拉丁超立方法(LHS)进行可靠性分析.2.4 可靠性分析2.4.1 模拟次数确定利用蒙特卡罗法进行可靠性分析，抽样次数的多少直接影响计算精度.因此确定合理的抽样次数对计算精度至关重要.图6和图7分别显示对随机变量进行500次抽样后的随机输出变量MAXSTR的样本均值历史和样本标准差历史.由图可知该样本值已趋于收敛，故采用500次拉丁超立方抽样进行蒙特卡罗计算吊钩在极限工况下的可靠度是可行的.图6 MAXSTR样本均值历史Fig.6 Mean value history for output parameter MAXSTR图7 MAXSTR样本标准差历史Fig.7 Standard deviation history for output parameter MAXSTR2.4.2 结构可靠度结构可靠性分析表明：在置信度为95%时结构可靠性为94.1% .2.4.3 随机输入参数对输出变量的影响通过敏感性分析，得到设计变量与输出变量的敏感图如图8、图9所示.线性相关性表格如表2所示，这些结果可清晰的反映不同的设计参数的影响程度.在ANSYS的敏感性分析中，输入参数对输出参数影响水平在2.5%以下时归为相对影响不大的因素；在2.5%以上时归为显著影响因素.由敏感性示意图可知，钩柄尺寸对最大应力的变化趋势有很大的影响，相关性很强，在吊钩的设计分析中应多加注意.图8 可靠度敏感性分析示意图Fig.8 Sensitivity plot for Z图9 MAXSTR敏感性分布示意图Fig.9 Sensitivity plot for MAXSTR表2 随机输入参数对MAXSTR的线性相关性Table 2 Linear correlation coefficients between input and output variables变量R1DHMH2EX1σS与MAXSTR的相关性-0.071-0.970-0.0140.1980.0210.036-0.114综合上述分析，吊钩在极限载荷作用下的强度可靠性主要由吊钩柄宽度和材料的屈服极限控制.因为材料屈服极限均值的增加，会提高屈服极限大于吊钩最大等效应力的概率，而吊钩柄宽度的增加，会使吊钩的应力水平降低，从而导致吊钩可靠度的增加.3 结语通过有限元分析计算，可以明确的知道最大应力的大小和分布状况，计算结果与实际情况也十分吻合，根据应力分布的区域性特点，也能为吊钩的优化设计提供参考，对产品质量检查中确定重点检查部位有一定的指导作用.根据强度失效准则，建立极限状态功能函数进行可靠性分析时，概率有限元法可以准确地确定结构应力最大位置，利用参数化设计语言实现吊钩极限工况下的危险区域强度可靠性分析，并确定敏感性因素，考虑了输入变量的随机性，最后给出可靠性分析结果.其结果可供起重机吊钩设计和结构分析时参考，具有一定的工程应用价值.参考文献：[1] 舒安庆,张鹏,丁克勤,等.门座式起重机臂架折断故障木对分析与对策[J].武汉工程大学学报,2012，34(6):69-73.[2] 戴树和.可靠性工程及其在化工设备中的应用[M].北京：化学工业出版社，1987：30-50.[3] 张长文，鲁国富.工字形吊钩优化设计研究[J].机械研究与应用,2010(5)：15-18.[4] 张杰，冯培恩.履带式液压挖掘机有限元分析节点外载荷计算[J].工程机械，1992(12)：2.[5] 徐芝纶.弹性力学[M].北京：人民教育出版社，1979：287-294.[6] 黄义.弹性力学基础及有限单元法[J].西安冶金建筑学院学报，1980(6)：162-165.[7] 王明强，朱彤.应用ANSYS概率有限元法的连杆结构强度可靠性分析[J].现代制造工程，2008(3)：54-57.[8] 李菁,蕲慧,丁克勤.300 t造船龙门起重机结构动力特性分析[J].武汉理工大学学报,2010,32(6):54-58.。
机械结构的强度分析
机械结构的强度分析机械结构的强度是指其抵抗外力作用下变形和破坏的能力。
对于机械结构的设计和优化，强度分析是一项非常重要的任务。
本文将对机械结构的强度分析方法进行介绍，包括材料的力学性能测试、应力分析、变形分析以及疲劳寿命预测等。
1. 材料的力学性能测试机械结构的强度受到材料的影响，因此首先需要进行材料的力学性能测试。
常用的测试包括拉伸试验、冲击试验和硬度测试等。
拉伸试验可以获取材料的强度、屈服强度和延伸率等参数，冲击试验可以评估材料的韧性，硬度测试则可以了解材料的硬度。
通过这些测试数据可以帮助工程师确定材料的强度，并为后续的强度分析提供基础数据。
2. 应力分析在进行机械结构的强度分析时，需要首先进行应力分析。
应力分析可以通过有限元方法来实现。
有限元方法是一种数值计算的方法，将大块结构分割成许多小的单元，在每个单元内进行应力计算，然后再将结果组合在一起得到整个结构的应力分布。
通过应力分析可以了解结构各个部位的受力情况，进而判断结构是否满足强度要求。
3. 变形分析与应力分析类似，变形分析也是通过有限元方法进行的。
变形分析可以帮助工程师了解机械结构在受力情况下的变形情况。
对于某些对尺寸要求非常严格的机械结构，变形分析显得尤为重要。
通过变形分析可以确定结构的变形程度是否在可接受范围内，以及是否会对其他部件的功能造成影响。
4. 疲劳寿命预测在实际工作中，机械结构经常要经历反复加载。
如果结构的疲劳寿命不足，就会出现疲劳断裂的问题。
因此，疲劳寿命预测也是强度分析的重要内容之一。
疲劳寿命预测可以通过应力-寿命曲线和振动实验来实现。
根据这些数据，可以估计机械结构在实际使用过程中的疲劳寿命，并作出相应的调整和改进。
总结:机械结构的强度分析是确保机械结构安全性和可靠性的重要环节。
通过对材料的力学性能测试、应力分析、变形分析以及疲劳寿命预测等方法的应用，可以充分了解机械结构的强度情况，为结构的设计和优化提供依据。
只有在合理的强度分析基础上，才能确保机械结构在使用中的安全可靠性，避免因强度不足而引发事故和损失。
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3 强度核算
3.1设计的基本参数
吊具额定载荷：30吨；
钳爪张口范围：700----1400mm ；
夹钳的材料参数：弹性模量a 1006.211
P E ⨯=，泊松比28.0=ν
材料Q460C
图3.1结构图
吊具结构尺寸如下图：
图3.2 吨吊具结构尺寸
上图中N=15tan77.3
3.2力学模型
首先应用理论力学分析吊具的受力情况，再用材料力学校核吊具的强度。
吊具的主要部件钳板的受力简图如下：
图3.3 吊具钳板的受力简图
3.3 公式推导
由图2受力图可知O点为吊具吊板的回转中心，A点为连杆作用点，B点为吊具受载作用点。
根据钳板的零件图可知OA=1800mm；OB=786mm；
当钳爪张口为1400mm时吊具连杆与垂线夹角a=63.6°
此时，lf=200mm
hf=760mm
lt=1754mm
ht=403mm
已知吊具的载荷为30t，单个钳板受载F=15t
单个钳板自重估计为W=0.37t
由理论力学公式ΣFY=0，得
⨯=F+W
T a lt
cos
求的吊具连杆对钳板拉力T=（F+W）/cosα
对于回转中心O点由公式ΣMO=0，得
⨯+MW+F lf=N hf
T a ht
cos
⨯+sin
T a lt
其中MW是钳板自重对O点力矩
最后由公式ΣFX=0，得
RX= sin T a +N ，其中N=66.7t 显然，RY=0
对于钳板的危险截面是中轴所在的截面，根据材料力学，该截面承受弯矩和拉伸组合应力。
该截面的面积为A=520⨯40-180⨯40=13600mm ²
该截面的惯性距I=520³⨯40/12-180³⨯40/12=449253333.3mm4 该截面的弯矩M= cos T a lt ⨯+sin T a ht ⨯ 该截面的最大弯曲应力
//2m M I H =⨯σ
该截面的最大拉应力σ1=RX/A 当钳爪张口为1400mm 时 截面弯矩M=18357.5kgm 最大弯曲应力σw=106.3Mpa 最大拉应力σ1=35.9Mpa
最大组合应力Z 1ωσ=σ+σ=142.2Mpa
使用吊具的材料是Q460C ，它的屈服应力为σs=460Mpa 此时吊具钳板中轴所在的截面的安全系数为n=σs/σz=3.23 钳板中轴所受剪应力=RX/（πr 2）=19.2Mpa 钳板前端轴受的剪应力=T/（πr 2）=63.6Mpa
由于钳口距的变化，钳板受力也随之变化。
本计算应用Microsoft Excel 软件，将负荷为30t ，钳口宽度由700mm 到1400mm 变化的各种力学指标绘成图表，以便观察钳口不同宽度时钳板的各种力学指标。
图3.4 钳板中轴截面弯矩与半钳口距关系曲线表3.1钳板中轴截面弯矩与半钳口距关系
图3.5 钳板中轴截面应力与半钳口距关系曲线
表3.2钳板中轴截面应力与半钳口距关系
图3.6 钳板中轴截面安全系数月半钳口距关系曲线表3.3钳板中轴截面安全系数月半钳口距关系
图3.7 钳板中轴剪应力与半钳口距关系曲线
表3.4 钳板中轴剪应力与半钳口距关系
图3.8 钳板前端剪应力与半钳口距关系曲线表3.5 钳板前端剪应力与半钳口距关系
4 冲子吊具有限元分析
4.1 有限元分析步骤
对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。
有限元求解问题的基本步骤通常为：
a.问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。
b.求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。
显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。
c.确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。
d.单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。
为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。
对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。
例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。
e.总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。
总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。
f.联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。
联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。
求解结果是单元结点处状态变量的近似值。
对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。
简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。
前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简
便提取信息，了解计算结果。
在UG中把实体模型抽出然后用UG的高级仿真把模型抽出然后在仿真导航器上建立FEM和仿真建模出FAM，SIM文件。
在FEM文件里用有限元法划分网格，用智能的方法来分，UG在曲线等模型方面划分较困难，在材料属性里选中金属和13号钢，对模型进行施加载荷，把模型的六个自由度固定全部固定，在约束类型中把X,Y,Z轴的自由度约束即可保证所有的自由度固定，然后进行求解，得出计算结果。
其中求解是用NX NASTRAN软件进行。
其他步骤均在UG 4.0中进行。
图4.1 有限元分析的一般流程
4.2 划分网格注意事项
具体进行网格的划分是考虑了以下因素。
单元的划分要适度，即网格的疏密要合理；节点和单元的数目要合适；单元划分得越细，节点布置得越多，计算精
度越高，但会造成计算时间，计算费用和计算内存的增加。
所以要考虑多个因素来确定单元和网格的数目，在满足工程精度要求的前提下，单元和节点的数目应尽可能少。
网格划分的精度对于求解精度来说十分重要。
1．网格数量。
网格数量影响计算结果的精度和计算规模的大小。
一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以确定网格数量时应权衡这两个因素综合考虑。
在进行结构静力分析时，若仅计算结构的变形，网格的数量可少一些；若计算应力，则在精度要求相同的情况下，网格数量应多一些。
2．网格疏密。
网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。
计算数据变化梯度较大的部位，需要采用比较密集的网格。
3．单元阶次。
选用高阶单元可提高计算精度，所以当结构形状不规则、应力分布或变形很复杂时可以选用高阶单元。
4．网格质量。
网格质量是指网格几何形状的合理性。
划分网格时，在重点研究的结构关键部位，应保证划分高质量的网格，即使是个别质量很差的网格也会引起很大的局部误差。
而在结构次要部位，网格质量可以适当降低。
5．网格布局。
当结构形状对称时，其网格也应划分成对称网格，以使模型表现出相应的对称性[31]。
4.3 静态分析前处理
a.打开模型文件
b.在起始中打开高级仿真
图4.2 启动高级仿真
c.然后在右侧的仿真导航器中选中部件右击新建FEM和仿真出现如下界面
图4.3 新建FEM和仿真
d.确定后如下图
图4.4 创建解法
e.在窗口中切换到FEM得文件中
选择材料属性，点击弹出材料对话框（如图）点击对话框中的弹出“搜索关键字”对话框，选择金属，单击确定，弹出搜索结果对话框，从中选择所需要的材料，此车架采用的材料是13 “steel”。
图 4.5 加载材料
f.进行网格的划分，输入3D网格大小，点击确定划分网格。
图 4.6 划分网格
g.网格划分完成,其中网格中的单元数:274984网格中的节点数:500390。
图4.7 冲子吊具网格图
4.4 求解及后处理
在用NX Nastran后处理过程中，系统自动将结果写入二进制直接存取数据库，同时保存一个扩展名为.f06 的打印文件。
屏幕状态栏显示工作进程和错误信息。
解算完成后可以进行后处理：节点位移、节点温度、单元和节点应力、单元和节点应变、节点反作用力、壳单元应力合力、单元应变能、单位体积应变能以及单位质量应变能。
另外，也能处理梁的应力、应变及内力。
解算完成后保留后缀为OP2的文件。
a.在UG NX的仿真导航器中切回到SIM文件；
b.然后选中有限元检查模型来检查模型是否有问题；
c.然后选择解算，对静态强度进行解算；
图4.8 解算
d.在发送中选中写入求解器输入文件；
e.系统会解算完成后保留后缀为OP2的文件。
f.后处理图标变为可用，点击进入即可得到计算结果。