吊钩是起重机的重要承载构件，也是应用最广泛的一种取物装置。由于除承受吊重外，还受到起升和制动时产生的冲击载荷作用，吊钩的结构设计和材料选用要求应保证不会发生突然断裂的危险。目前国内对起重量小于500t的吊钩机械性能进行了标准化，并对一些特殊吊钩开展了强度分析和结构优化。日本的科研人员考虑到不同的载荷工况，利用有限元技术和PSO设计方法对吊钩的尺寸形状进行了优化分析，优化结果近似现有设计的锥形截面，西班牙科研人员从材料特性和镜像显微组织分析导致吊钩失效的原因，加拿大某大学的科研人员将用于吊钩设计的曲线梁理论一般化，提出了不但适用于矩形截面，也适用与双梯形截面的计算公式。然后上述研究都以单钩或双钩为研究对象，缺乏针对四爪吊钩的相关研究报道。针对大型非标准化吊钩设计问题，以某起重量2000t四爪吊钩为研究对象，应用有限元分析对吊钩强度进行分析，揭示其应力分布规律和危险截面，并讨论了结构优化设计尺寸。
      四爪吊钩的吊钩强度计算可参考文献中双钩式钩身的计算方法，主要考虑B-B和C-C危险截面和头部直柄A截面，由于吊钩的形状复杂，曲面繁多，直接在有限元软件中创建网格单元存在一定困难，因而先构建三维模型，利用模型接口导入几何信息以辅助完成网格划分。通过Solidworks建立的吊钩模型，如图所示。具体建模的要点简述如下：将吊钩分为钩尖、钩身(变截面部分、等截面部幼、吊杆、光杆部分、螺纹连接部)等特征分别建模，并使用圆周阵列得到整体实体模型。钩尖和变截面钩身部分先绘制剖面草图，接着绘制轮廓草图，选取外轮廓线为开环引导线，使用放样命令生成相应特征。等截面钩身部分与吊杆的圆角在圆周阵列前创建，四爪钩身之间的圆角在圆周阵列后创建，皆选择生成曲面与曲面之间圆角的选项。省略钩尖部分和螺纹连接部吊杆，保留主要圆角特征，建立1/4实体模型作为计算吊钩强度的输出模型。通过Solidworks生成IGS中性文件并导入MSC.Patran，并注意保持单位一致。
      吊钩三维有限元模型，如图所示。钩身部分采用Tet4单元类型，长度为30mm，上部吊杆采用Wedge6单元类型，长度为3050mm，共划分19476个节点，82220个单元。吊钩选用了DG20Mn材料，密度p=7850kg/m3，弹性模量E=2.05xe5MPa，泊松比p=0.3。输入材料特性，并将该属性赋予给所建有限元模型。根据客户的设计要求，除了需校核最大吊重2000t(单侧钩头偏载50%)情况下的钩身强度，还要计算单侧钩头偏载75%和100%两种工况。三种工况下的载荷作用大小，如表所示。其中关于载荷作用区域的确定，根据起重机使用规范，吊装过程中钢丝绳的拉力角度(与竖直方向夹角)一般在20-30°，因此取作用范围为30°。边界约束为定义XOY和YOZ的轴对称面，限制吊杆上端面节点的下方向移动。
      对三种工况的计算结果进行了如下比较分析：(1)工况最大合成应力分别为111 MPa和232MPa，计算结果满足许用应力要求，吊钩设计结构强度校核合格。由于受到弯曲与剪切二力的合力，而吊钩外侧受压应力，内侧受拉应力，最大应力发生在内侧弯曲处，与竖直方向呈20-45°范围，区域大小约为(150x120)mm。从图来看，最大应力位与钩体外表面，说明钢丝绳挂在钩身上所产生的接触应力主要作用在外表面。接触区域的应力增加导致吊钩局部产生一定的塑性变形区域，使接触应力向着均衡分布的趋势变化，应力集中得到缓解。选取XY平面钩身圆弧外表面的各个节点，得到应力分布清况，如图所示。将应力结果分各区域，给出了所对应区域位置。从图中可以看出，三种工况得到的应力分布曲线一致，最大应力值均出现在II区域。I区域在接近竖直方向时应力值快速上升，III区域在接近吊杆连接位置时的各工况计算结果相差不大。力虽然载荷作用在I区域，但三种工况得到的应力较高位置主要集中在III，其中II区域夹角为45°左右。选取D-D截面载荷作用区域的各个节点，得到应力分布情况。从图中可以看出，三种工况得到的应力分布曲线一致，应力值从Z=0位置平缓下降。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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