基于光彈性的起重機(jī)吊鉤的應(yīng)力應(yīng)力分析與校核 Rashmi Uddanwadiker 機(jī)械工程系，維斯瓦力亞國(guó)家技術(shù)研究所，納格浦爾，印度 E-mail: rashmiu71@rediffmail.com 2011.07.27收到；2011.08.12校訂；2011.08.26接受 摘要 起重機(jī)吊鉤是起重設(shè)備的關(guān)鍵零件并且時(shí)常會(huì)因?yàn)槌惺芰丝赡茏罱K導(dǎo)致失效的重載的積累而最終失效。準(zhǔn)備好一個(gè)實(shí)體的起重機(jī)吊鉤零件，在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（Coordinate Measuring Machine）和 CAD 軟件的協(xié)助下來(lái)研究起重機(jī)吊鉤加載情況下的應(yīng)力模式。在已獲得的起重機(jī)吊鉤3D模型上就可以實(shí)時(shí)顯示應(yīng)力集中情況。可以通過(guò)在漫射光偏光儀上檢測(cè)起重機(jī)吊鉤的亞克力塑料模型來(lái)驗(yàn)證其應(yīng)力分布的正確性。通過(guò)預(yù)測(cè)起重機(jī)吊鉤的應(yīng)力集中的區(qū)域，更改相關(guān)結(jié)構(gòu)，可以延長(zhǎng)其使用壽命降低其失效率。 關(guān)鍵詞:光彈性,起重機(jī)吊鉤、有限元法、彎梁,應(yīng)力光學(xué)定律 1.簡(jiǎn)介 起重機(jī)吊鉤是一種典型的用于工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵零件。它的本質(zhì)是一個(gè)被設(shè)計(jì)用于嚙合一個(gè)起重鏈上的環(huán)或鏈、鉤形鐵或者纜繩的起升夾具，它必須遵守相應(yīng)的安全準(zhǔn)則［1-4］。因此，對(duì)于這樣的在工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的零件必須要在不失效且能發(fā)揮最大性能的前提下被設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來(lái)。本課題研究的目的在于通過(guò)有限元法分析起重機(jī)吊鉤上的應(yīng)力分布形式并通過(guò)光彈性來(lái)驗(yàn)證研究的結(jié)果。 2.起重機(jī)吊鉤失效 為了降低起重機(jī)吊鉤的失效率［5］，必須研究其內(nèi)部的應(yīng)力情況。起重機(jī)要收到連續(xù)的加載和卸載。這造成了起重機(jī)吊鉤的疲勞失效但這種疲勞周期很低［6］。如果起重機(jī)吊鉤內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，將引起吊鉤的斷裂并引發(fā)嚴(yán)重的事故。韌性斷裂中，裂紋因連續(xù)延展而易于發(fā)覺(jué)，因而優(yōu)于脆性斷裂。脆性斷裂中，裂紋產(chǎn)生突然吊鉤也將突然失效［7］。這種斷裂難以檢測(cè)，因此是十分危險(xiǎn)的。由于反復(fù)的加載和卸載而導(dǎo)致的應(yīng)變老化和脆化［8］將改變吊鉤的金相結(jié)構(gòu)。彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，磨損而導(dǎo)致的吊鉤弱化，超載而導(dǎo)致的吊鉤塑性變形，和過(guò)度的熱應(yīng)力是導(dǎo)致吊鉤失效的其他原因。因此，吊鉤的長(zhǎng)時(shí)間的使用將會(huì)增強(qiáng)這些因素的作用，最終將導(dǎo)致吊鉤的失效。 3.應(yīng)力分析的方法 應(yīng)力分析分為兩個(gè)階段：1）對(duì)吊鉤的近似亞克力塑料模型進(jìn)行有限元應(yīng)力分析并且通過(guò)光彈性理論來(lái)驗(yàn)證結(jié)果。2）分析假設(shè)鉤是一種曲梁結(jié)構(gòu)，使用精確地鉤的有限元分析來(lái)驗(yàn)證。在A(yíng)NSYS中建立一個(gè)類(lèi)似于亞克力鉤的模型的有限元程序的虛擬模型，將其應(yīng)力分析的結(jié)果與光彈性理論分 析的結(jié)果進(jìn)行交叉比對(duì)。在使用CAD 軟件建立一個(gè)類(lèi)似于真實(shí)吊鉤的虛擬模型之后，就可以通過(guò)之前的分析方法利用有限元分析進(jìn)行驗(yàn)證。 4.有限元分析（FEA） 有限元法［9,10］已經(jīng)成為解決工程領(lǐng)域內(nèi)很多可以通過(guò)數(shù)值求解的問(wèn)題的強(qiáng)大工具。起重機(jī)吊鉤的亞克力模型的形狀和尺寸要素是畫(huà)在 ANSYS11.0 里面的以便于對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析。之后其將被擠壓至9.885mm，以形成一個(gè)三維模型的鉤子。這里的 9.885mm 是模型的平均厚度。我們可以自己定義模型的材料屬性和元素類(lèi)型并且模型是一種擁有與全局變量比如3相關(guān)的智能尺寸的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。圖1顯示了力的加載和約束的網(wǎng)狀的有限元模型。圖2則顯示了之后獲得的主應(yīng)力和馮?米塞斯應(yīng)力模式。 5.光彈性理論 為了驗(yàn)證有限元分析所獲得的結(jié)論，本實(shí)驗(yàn)引入了光彈性的概念。這個(gè)概念是用來(lái)確定不規(guī)則形體內(nèi)影響應(yīng)力集中和分布的因素。該方法是基于某些透明材料所產(chǎn)生的雙折射的相關(guān)性質(zhì)。雙折射是當(dāng)一縷光通過(guò)一種具有兩種折射率的材料時(shí)所產(chǎn)生的現(xiàn)象。因此，起重機(jī)吊鉤的模型選擇了這種材圖1. 網(wǎng)狀約束模型 圖2. 模型中的主應(yīng)力 料進(jìn)行研究。該模型具有與需要進(jìn)行應(yīng)力分析的構(gòu)件的相似的結(jié)合結(jié)構(gòu)。這確保了模型中的應(yīng)力狀態(tài)與吊鉤中的是相似的。 5.1.應(yīng)力光學(xué)定律 當(dāng)平行的偏振光通過(guò)光彈性材料，它將分解成沿兩個(gè)主應(yīng)力方向的光束，且這兩束光將具有不同的折射率［11］。折射率的差異導(dǎo)致兩分離出的光波有相對(duì)的相位延遲。而應(yīng)力光學(xué)定律正好給出了相對(duì)延遲的值的大?。?R=Ct(