基于Solidworks Simulation的悬臂吊强度分析
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【摘 要】利用三维软件Solidworks建立了某型装置的三维模型，利用Solidworks Simulation对该装置进行结构强度、刚度校核，为下一步的结构优化设计提供了理论依据。
【关键词】Solidworks Simulation；悬臂吊；有限元
引言
在制造业发展的今天，产品研发模式发生了巨大的变化，已经完全不拘泥于二维CAD平面设计，三维建模软件及其分析功能已经基本满足设计工程师的需要，目前UG、Proe、Catia、Solidworks都兼有设计、分析的功能。不必转换格式，依据现有模型就可计算、校核、修改模型，大大缩短产品研发周期，使得企业对市场供需的反应迅速，抓住先机，赢得市场。
本文利用Solidworks（后面都简称SW）进行悬臂吊模型建模，本产品——悬臂吊主要应用于液压钻机系统，用来起吊钻杆，这种结构在吊车中有广泛应用，由于悬臂吊距离地面比较高，能否在重量、经济、安全、稳定性、强度中取得合理的平衡，对其结构进行有限元分析是必要的。
1 建模
SW的建模功能方便快捷，体现在拉伸和旋转方面上，在CAD中按住Ctrl+C（复制），然后在SW草图中按住Ctrl+V（粘贴）， 这种软件数据结合的非常好。很多型钢外形尺寸不需要再SW中再画一次，只要复制粘贴就可以完成了，方便到令人惊奇的程度！
步骤：（1） 打开cad中图纸（其中一个零部件），（2）线型修改，（3）复制，选择Ctrl+C，（4）在SW草图中Ctrl+V，（5）移动草图到原点附近，（6）拉伸（或旋转）。
此悬臂吊由液压缸、前支架、后支架、耳座、滑轮组组成，如图1所示。
2 各部件分别计算
由于模型整体划分网格数据过大，所以各部件分别计算强度，起吊载荷15T。
2.1 支架的工程算法
由于模型较大，利用有限元法分网会导致网格数量巨大，虽然采用梁单元是可以减少网格数量，由于结构比较简单，所以采用工程算法。结构图2所示：
根据力的合成分解，分别计算每个型钢的受力，然后根据
F1=F*cosθ1， F2= F*cosθ2 δ1= F1 /S δ2=F/S （数据省略）
δ1
[δ] 为许用应力。θ1，θ2为角度。
根据强度设计要求，满足强度设计条件，安全系数较大。
在复杂的受力即包含力和力矩的情况下，需要计算剪切应力 τ，最后按照材料第四强度理论进行校核。本文不需要计算剪切应力。
2.2 耳座的有限元算法
2.2.1 有限元理论及方法
基于弹塑性小变形有限元理论、空间立体平衡方程、几何方程、材料的物理方程建立矩阵方程。
在分析过程中主要遵循以下几个原则：
（1）合理的单元设置大小。理论上对单元值的设置越小越好，单元格数值越小，其产生的离散域近似程度越高，计算结果会更精确，但是单元数量增加会导致计算变慢。
（2）尽可能采用高阶单元。
（3）区别应力集中和应力奇异。应力集中是由于物体形状所产生的，是合理值，计算过程中一定保证算到合理的应力集中值。应力奇异是本身不存在的几何实际，例如不存在绝对的尖角，过渡的地方都有小圆角，只是很小而已，但是在建模的过程中，一个很小的尖角就可以忽略（例如棱边）。
2.2.2模型如图
2.2.3 有限元计算
（1）赋材料属性：材料为Q345，焊脚高度5毫米，本文没有考虑焊脚的情况。
（2）划分网格：主要是采用高阶四面体单元，如图4。在应力关键部位进行网格细化，图4中，焊脚部位为关键部位。
（3）边界条件：底板下表面底端固定。如果需要计算底板的强度，一般的方法就是引用假体，使得整体底板部位计算应力值不过刚，刚度过大会导致应力过大。本文认为底板强度足够。所以没有引进假体。
孔位置施加轴承载荷，载荷为正弦分布。solidworks simulation 提供了轴承载荷，可以自定义载荷分布，也可以选择抛物线和正弦分布。
（4）结果计算
如图5、6所示，结果最大值约为：88Mpa，位移：0.015毫米。应力集中区域，整体应力分布在17-88Mpa之间，完全满足使用要求。
工艺上要求对焊缝和圆角、尖角过渡处进行倒钝处理，以防止应力集中，对应力较大的区域增加加强筋以提高其强度。
3 结语
笔者将SW及其仿真模块Simulation结合起来，对悬臂吊整体受载荷工况进行了有限元分析，提高了悬臂吊设计质量，缩短了设计周期，对于线性计算，完全没有必要导入Ansys或者Abaqus中进行，在不涉及到非线性的设计中，这种设计校核方法更为便捷和高效。
参考文献：
[l]朱文予.机械可靠性设计.上海：上海交通大学出版社，2010.
[2]西北工业大学机械原理与机械零件教研室.激良贵主编.机械设计.北京：高等出版社，2009.