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)備好一個實(shí)體的起重機(jī)吊鉤零件，在三坐標(biāo)測量機(jī)（Coordinate Measuring Machine）和 CAD 軟件的協(xié)助下來研究起重機(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?？梢酝ㄟ^在漫射光偏光儀上檢測起重機(jī)吊鉤的亞克力塑料模型來驗(yàn)證其應(yīng)力分布的正確性。通過預(yù)測起重機(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)是一個被設(shè)計(jì)用于嚙合一個起重鏈上的環(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。本課題研究的目的在于通過有限元法分析起重機(jī)吊鉤上的應(yīng)力分布形式并通過光彈性來驗(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，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，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，吊鉤的長時(shí)間的使用將會增強(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)力分析分為兩個階段：1）對吊鉤的近似亞克力塑料模型進(jìn)行有限元應(yīng)力分析并且通過光彈性理論來驗(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驗(yàn)證。在ANSYS中建立一個類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。在使用CAD 軟件建立一個類似于真實(shí)吊鉤的虛擬模型之后，就可以通過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)很多可以通過數(shù)值求解的問題的強(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在 ANSYS11.0 里面的以便于對其進(jìn)行應(yīng)力分析。之后其將被擠壓至9.885mm，以形成一個三維模型的鉤子。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。這個概念是用來確定不規(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)平行的偏振光通過光彈性材料，它將分解成沿兩個主應(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的相位延遲。而應(yīng)力光學(xué)定律正好給出了相對延遲的值的大小： R=Ct(