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摘要：随着工业现代化发展，大型化工设备起吊安装多运用专用吊具，但由于设备重量大，在作业中对于安全性要求较高。吊具结构尺寸设计、力学性能优化直接决定了吊具在应用中是否安全。但传统吊具设计理念、设计方式已经无法满足吊具现代化设计需求。而有限元分析理念能够在原有设计理念基础之上，根据分析所得的应力分布、形变情况实现对吊具结构尺寸的优化，使得产品能够满足实践应用需求。文章对吊具设计现状进行梳理，简单阐述有限元分析优势，并选择凸轮轴起吊吊具作为研究对象，探讨其在吊具设计中的具体应用，旨在为吊具设计提供更多参考。
关键词：有限元分析；吊具设计；应用
前言：近年来，起重吊具在各领域中的应用日渐广泛，在很大程度上提高了作业有效性。但随着人们安全意识逐渐增强，对于起重吊具安全型、可靠性给予了更多关注。在设计中，传统方式和方法以已知工况和负载为基础，实现对吊具强度、刚度及稳定性的计算，虽然确保了产品安全性，但是针对吊具实际工作性能的了解不够全面、深入。应用有限元分析，能够实现对吊具进行参数化设计，根据模拟数据优化产品结构，提高产品生产有效性的同时，优化吊具应用性能，从而满足各领域应用需求。
1.有限元分析概述
所谓有限元分析，是指以数学近似方法对真实的几何、荷载工况等进行模拟。其与其他求解边值问题近似方法本质上的差别在于，近似性仅存在于较小的子域当中，对于事物的分析能够由宏观过渡到微观层面上，发现更多细微的问题，从而为实践提供支持。目前，有限元分析能够与CAD软件做到无缝衔接，以此来解决更多复杂的工程问题，如ADINA软件采用Parasoild内核实体建模技术，能够实现数据双向交换。不仅如此，有限元分析具备更加强大的网格处理能力，且能够由单一结构分析转变到对耦合场问题的研究，实现对相关影响因素的高效分析，充分了解各子系统，协调它们之间的关系，确保实践更加科学、合理。
2、吊具设计现状
现阶段，吊具设计中，主要采用两种方式，一种是按照经验公式确定构件几何尺寸后，对构件进行简化处理。另一种是构建构件三维实体模型，再利用有限元计算软件进行计算[1]。但是上述两种方式都存在一些不足之处，在实践应用中，上述方法都是以最大計算应力不超过材料的屈服极限为根本，使得吊具设计较为保守。同时，对于危险截面不够明确，无形中增加了验算繁琐性。传统设计理念下，吊具设计以力学、数学为基础，并运用类比法、直觉法等进行设计，仅强调对已知工况、负载的考虑，忽视了对吊具实际工作性能的计算，吊具投入使用后无法发挥积极性能，不仅如此，还存在产品设计周期长、反复多等缺陷，具有较大的局限性，无法满足人们对吊具的应用需求。
而有限元分析作为一项全新的设计理念，将其应用到吊具设计中，能够实现对吊具参数化设计和优化，并以产品应用背景在实体建模后实现对实际工况的加载分析，为产品结构优化提供科学依据，从而提高设计有效性。
3、有限元分析在吊具设计中的应用
基于研究针对性、实用性原则，本文选择凸轮轴起吊吊具作为研究对象，将传统设计方式与有限元分析相结合，对重点零部件建模实现参数化设计和分析，以此来完成对产品的设计。
3.1建立三维模型
本文所研究的凸轮轴吊具，主要应用于生产流转、调运活动中。对产品设计，首先要做的是在Pro/E中构建吊具三维模型。该吊具是由吊梁、吊钩焊接而成，单根凸轮轴重量在60㎏以内，可以将吊钩的起吊重量设置为70㎏。结合以往设计经验来看，为了确保吊具使用寿命，可以选择圆钢作为吊钩材料。同时，针对吊具使用安全性考虑，在设计中，还需要对吊具的受力形变、危险截面等进行精确分析。利用ANSYS有限元分析软件对吊具进行静态分析，以获取结构在荷载作用下的位移、应力及应变等。
3.2模型剖分
完成静力分析后，还要将三维模型导入到真实情境当中进行模拟分析。一般情况下，可以利用design simulation模块对零件进行刚度与强度分析[2]。在操作中，工程师要先界定材料属性、荷载等，并根据结构应力、形变云图实现对结构刚度、强度的检测，获得相应的数据。
3.3吊具有限元分析
根据模型剖分结果，我们能够看到各个零部件在实践场景中的应用效果。在进行有限元分析时，要对吊具适当施加约束与荷载，施加700N压力，观察吊具应力与变形图，模拟真实场景中吊具应用效果。针对吊具设计而言，我们需要注意危险截面。所谓危险截面，是吊具承受最大应力时，吊梁或者吊钩弯曲的部位，简而言之就是吊具承重极限。因此为了避免吊具受力过大发生形变而产生断裂，要结合危险截面因素对结构进行相应的改进。
3.4吊具结构改进
本文设计的吊具，其起吊孔位置是由直线与圆弧连接而成。但是根据以往的应用经验来看，此类设计过渡不均勻，会导致应力集中，且吊钩直径过小，无法满足实践应用需求。故要对吊具结构加以改进，对直线与圆弧进行相切连接，以此来消除应力集中现象的产生[3]。
根据上述分析方式对吊具结构等进行有限元分析，同样能够获得相应的应力分析图。通过调整后的吊具，在实践应用中其最大应力集中在吊具上部与中部圆形开口相连位置上，按照如下公式进行计算，能够获得抗弯截面系数，计算结果为331.2。
截取吊钩最大应力截面作为受力分析，能够分别获得弯矩、拉应力及弯曲应力，即28874N·mm、1.99MPa、87.2MPa。相比较原来的吊具产品，应用有限元分析对吊具进行设计，能够显著提高吊具在夹吊作业中强度，确保人们对吊具提出的安全性要求。根据整个吊具刚度分析和计算来看，有限元分析相较于传统设计方法更为准确，且与实际工况更为接近。究其根本是利用有限元分析，吊具结构所有构件都能够参与到受力分析过程中，且以图像形式呈现出应力变化情况，为吊具设计优化提供了极大的支持。不仅如此，利用公式进行计算，能够确保计算结果更为精准[4]。因此利用有限元分析，能够获取吊具结构中危险位置及应力分布规律等力学性能信息，并展示出吊具存在的薄弱环节，从而为优化吊具截面尺寸、形状等提供更多参考和依据。
结论：根据上文所述，以往，针对吊具的设计我们主要在传统设计基础上开展，利用CAD技术构建模型，虽然能够确保吊具具备一定强度和刚度，但是与人们提出的安全性要求还存在一定距离，原因是在设计和分析中忽视了对吊具实际工况的考虑。而有限元分析作为一种现代化设计理念，能够针对吊具中关键零部件在静态工况下的应力和形变云图进行分析，为产品安全、可靠设计提供科学依据，使得吊具设计、建模及优化等环节实现无缝衔接，既能够简化传统吊具设计流程，还能够显著提高吊具应用安全性，满足实践应用需求。因此在设计中，我们要积极应用有限元分析，以此来获取准确的应力、应变场等，并根据精准的计算结果设计吊具，确保吊具能够具备安全性，从而促使吊具在实践应用中能够充分发挥综合效益。
参考文献：
[1]谭晓丽.有限元分析在吊具设计中的应用[J].金属加工（冷加工），2014，（06）：80-82.
[2]徐家生，高鸿义.有限元分析在PDA大型游艇吊具设计中的应用[J].起重运输机械，2012，（09）：31-34.
[3]欧阳辛雨.浅谈注塑机合模装置主要构件的有限元分析及优化设计[J].橡塑技术与装备，2016，42（12）：46-47.
[4]时帅帅.浅谈利用三维建模与有限元分析复振筛的结构改进[J].科技信息，2011，（25）：105+63.
关键词：有限元分析；吊具设计；应用
前言：近年来，起重吊具在各领域中的应用日渐广泛，在很大程度上提高了作业有效性。但随着人们安全意识逐渐增强，对于起重吊具安全型、可靠性给予了更多关注。在设计中，传统方式和方法以已知工况和负载为基础，实现对吊具强度、刚度及稳定性的计算，虽然确保了产品安全性，但是针对吊具实际工作性能的了解不够全面、深入。应用有限元分析，能够实现对吊具进行参数化设计，根据模拟数据优化产品结构，提高产品生产有效性的同时，优化吊具应用性能，从而满足各领域应用需求。
1.有限元分析概述
所谓有限元分析，是指以数学近似方法对真实的几何、荷载工况等进行模拟。其与其他求解边值问题近似方法本质上的差别在于，近似性仅存在于较小的子域当中，对于事物的分析能够由宏观过渡到微观层面上，发现更多细微的问题，从而为实践提供支持。目前，有限元分析能够与CAD软件做到无缝衔接，以此来解决更多复杂的工程问题，如ADINA软件采用Parasoild内核实体建模技术，能够实现数据双向交换。不仅如此，有限元分析具备更加强大的网格处理能力，且能够由单一结构分析转变到对耦合场问题的研究，实现对相关影响因素的高效分析，充分了解各子系统，协调它们之间的关系，确保实践更加科学、合理。
2、吊具设计现状
现阶段，吊具设计中，主要采用两种方式，一种是按照经验公式确定构件几何尺寸后，对构件进行简化处理。另一种是构建构件三维实体模型，再利用有限元计算软件进行计算[1]。但是上述两种方式都存在一些不足之处，在实践应用中，上述方法都是以最大計算应力不超过材料的屈服极限为根本，使得吊具设计较为保守。同时，对于危险截面不够明确，无形中增加了验算繁琐性。传统设计理念下，吊具设计以力学、数学为基础，并运用类比法、直觉法等进行设计，仅强调对已知工况、负载的考虑，忽视了对吊具实际工作性能的计算，吊具投入使用后无法发挥积极性能，不仅如此，还存在产品设计周期长、反复多等缺陷，具有较大的局限性，无法满足人们对吊具的应用需求。
而有限元分析作为一项全新的设计理念，将其应用到吊具设计中，能够实现对吊具参数化设计和优化，并以产品应用背景在实体建模后实现对实际工况的加载分析，为产品结构优化提供科学依据，从而提高设计有效性。
3、有限元分析在吊具设计中的应用
基于研究针对性、实用性原则，本文选择凸轮轴起吊吊具作为研究对象，将传统设计方式与有限元分析相结合，对重点零部件建模实现参数化设计和分析，以此来完成对产品的设计。
3.1建立三维模型
本文所研究的凸轮轴吊具，主要应用于生产流转、调运活动中。对产品设计，首先要做的是在Pro/E中构建吊具三维模型。该吊具是由吊梁、吊钩焊接而成，单根凸轮轴重量在60㎏以内，可以将吊钩的起吊重量设置为70㎏。结合以往设计经验来看，为了确保吊具使用寿命，可以选择圆钢作为吊钩材料。同时，针对吊具使用安全性考虑，在设计中，还需要对吊具的受力形变、危险截面等进行精确分析。利用ANSYS有限元分析软件对吊具进行静态分析，以获取结构在荷载作用下的位移、应力及应变等。
3.2模型剖分
完成静力分析后，还要将三维模型导入到真实情境当中进行模拟分析。一般情况下，可以利用design simulation模块对零件进行刚度与强度分析[2]。在操作中，工程师要先界定材料属性、荷载等，并根据结构应力、形变云图实现对结构刚度、强度的检测，获得相应的数据。
3.3吊具有限元分析
根据模型剖分结果，我们能够看到各个零部件在实践场景中的应用效果。在进行有限元分析时，要对吊具适当施加约束与荷载，施加700N压力，观察吊具应力与变形图，模拟真实场景中吊具应用效果。针对吊具设计而言，我们需要注意危险截面。所谓危险截面，是吊具承受最大应力时，吊梁或者吊钩弯曲的部位，简而言之就是吊具承重极限。因此为了避免吊具受力过大发生形变而产生断裂，要结合危险截面因素对结构进行相应的改进。
3.4吊具结构改进
本文设计的吊具，其起吊孔位置是由直线与圆弧连接而成。但是根据以往的应用经验来看，此类设计过渡不均勻，会导致应力集中，且吊钩直径过小，无法满足实践应用需求。故要对吊具结构加以改进，对直线与圆弧进行相切连接，以此来消除应力集中现象的产生[3]。
根据上述分析方式对吊具结构等进行有限元分析，同样能够获得相应的应力分析图。通过调整后的吊具，在实践应用中其最大应力集中在吊具上部与中部圆形开口相连位置上，按照如下公式进行计算，能够获得抗弯截面系数，计算结果为331.2。
截取吊钩最大应力截面作为受力分析，能够分别获得弯矩、拉应力及弯曲应力，即28874N·mm、1.99MPa、87.2MPa。相比较原来的吊具产品，应用有限元分析对吊具进行设计，能够显著提高吊具在夹吊作业中强度，确保人们对吊具提出的安全性要求。根据整个吊具刚度分析和计算来看，有限元分析相较于传统设计方法更为准确，且与实际工况更为接近。究其根本是利用有限元分析，吊具结构所有构件都能够参与到受力分析过程中，且以图像形式呈现出应力变化情况，为吊具设计优化提供了极大的支持。不仅如此，利用公式进行计算，能够确保计算结果更为精准[4]。因此利用有限元分析，能够获取吊具结构中危险位置及应力分布规律等力学性能信息，并展示出吊具存在的薄弱环节，从而为优化吊具截面尺寸、形状等提供更多参考和依据。
结论：根据上文所述，以往，针对吊具的设计我们主要在传统设计基础上开展，利用CAD技术构建模型，虽然能够确保吊具具备一定强度和刚度，但是与人们提出的安全性要求还存在一定距离，原因是在设计和分析中忽视了对吊具实际工况的考虑。而有限元分析作为一种现代化设计理念，能够针对吊具中关键零部件在静态工况下的应力和形变云图进行分析，为产品安全、可靠设计提供科学依据，使得吊具设计、建模及优化等环节实现无缝衔接，既能够简化传统吊具设计流程，还能够显著提高吊具应用安全性，满足实践应用需求。因此在设计中，我们要积极应用有限元分析，以此来获取准确的应力、应变场等，并根据精准的计算结果设计吊具，确保吊具能够具备安全性，从而促使吊具在实践应用中能够充分发挥综合效益。
参考文献：
[1]谭晓丽.有限元分析在吊具设计中的应用[J].金属加工（冷加工），2014，（06）：80-82.
[2]徐家生，高鸿义.有限元分析在PDA大型游艇吊具设计中的应用[J].起重运输机械，2012，（09）：31-34.
[3]欧阳辛雨.浅谈注塑机合模装置主要构件的有限元分析及优化设计[J].橡塑技术与装备，2016，42（12）：46-47.
[4]时帅帅.浅谈利用三维建模与有限元分析复振筛的结构改进[J].科技信息，2011，（25）：105+63.