基于Creo的汽车起重机吊钩设计与分析

谷丰

摘  要：吊钩是汽车起重机复杂系统中的关键执行机构，发挥着重物与起重机之间的连接作用，也是起重机中重要的受力部件。目前对吊钩的设计工作重点集中在吊钩组件的结构设计，这个设计过程对吊钩的受力校核分析是不够充分的，而吊钩的失效断裂有可能导致重大的人身安全事故，因此应用有限元分析方法对吊钩进行强度分析是很有必要的工作。

关键词：Creo;汽车起重机;吊钩;设计

引言：

Creo是新型CAD软件建模开发工具，主要包括Creo parametric三维建模模块，Creo illustrate模块，Creo simulate仿真分析模块[1]。相关论文结论表明Creo自带的仿真分析功能进行模型分析足够满足校核强度的需求，因此本文主要是通过Creo进行起重机吊钩的设计与分析。

1 吊钩组件三维模型建立

本文以起重量25t的主吊鉤为研究对象，该吊钩共由31个零部件组成，但是影响吊钩性能的关键零部件主要是钩头，下图是吊钩组件的分解图。

1.1钩头模型建立

直柄单钩钩头分为模锻和自由锻两种锻造方式，根据吊钩使用工况选择P级强度等级、M4工作级别，材质为35CrMo，在吊钩相关标准中选用12号钩头。在Creo中绘制钩头的草图和截面，相关尺寸在吊钩标准中查取，通过旋转、边界混合、实体化、拉伸等命令建立出钩头三维模型，如图1.2所示。

1.2 钩头理论强度计算

根据吊钩实际吊载状态，钩身1-2截面是危险截面，截面的内侧是拉应力和弯曲应力之和，截面外侧应力是拉应力与弯曲应力之差，因此只需计算出截面内侧的理论应力值，并与Cero simulate计算出的最大应力作对比分析。

截面内侧的应力为：

式中： 为1-2截面内侧的应力，Mpa;F为吊钩额定起升载荷，N;A为截面面积，mm2;k为与曲梁截面形状有关的系数，对于该截面的标准吊钩：k≈0.1;e1为截面重心至吊钩内缘距离，mm; 为吊钩内圆直径，mm[2]。

吊钩额定起重量为25t，可得F=245000N。截面面积可由Creo测量得到，A=10601mm2。利用软件中的拉伸命令，将截面拉伸1mm高度，可以测量得到e1=61mm。尺寸a由吊钩标准中查得为125mm。设计吊钩时，一般会考虑超载1.25倍工况，叠加工作级别为M4的因素，钩身需用应力

2 吊钩组件总质量校核

主动落钩是指在空载情况下起重机能够靠吊钩自重落钩。吊钩下放时需要克服钢丝绳僵性阻力、轴承阻力、钢丝绳自重等阻力[3]。因此，为了满足主动落钩要求，需要对吊钩组件的总质量进行校核。

由此可判断，该吊钩的总质量满足主动落钩需求。

3 钩头有限元分析

通过Creo simulate模块对钩头进行材料定义，材质选用35CrMo合金结构钢，具有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限，其材料特性如表3.1所示。

钩头吊载时，相对于吊钩组件不能产生垂直方向上的位移，所以定义钩柄上端面为约束定义。钩头的载荷为吊钩的额定起重量，载荷作用面选择与实际工况相符的钩头内缘下表面。基于Creo simulate模块对钩头进行网格自动划分，单元类型为四面体，单元数量12245。

从图3.1应力云图可看出，危险截面与理论分析一致，危险截面1-2内缘最大应力是240.24MPa，与理论计算值225.6MPa相近，均小于许用应力值，因此该吊钩可以满足强度要求。从图3.2变形云图看出，钩头受到拉应力与弯曲应力影响，钩头尖头部位发生最大位移1.026mm，此位移值较小，因此不会对吊钩正常吊载产生影响。

4 结论

1）通过应用Creo软件建立三维模型，使用Creo simulate仿真分析模块可以便捷的分析出吊钩的受力与变形情况，分析结果与理论计算结果相近，在设计工作中具有很强的实用性，可以缩短产品设计周期。

2）吊钩组件设计完成后，需要对组件的总质量进行校核，可以通过调整侧板的厚度和外形增重或减重，以使吊钩组件能满足主动落钩要求。

参考文献：

[1]Li-xin Wang，Jun-hui Liu，，Lin-kai Chen.Simulation Comparison between PTC/Creo and Professional CAE Software[A].International Conference on Mechanical and Mechatronics Engineering.2017[C].DEStech Publications. 2017.

[2]工程起重机结构与设计

[3]起重机主动落钩的吊钩最小质量计算