吊具的安全至关重要，尤其是对于几何尺寸过大、承载较高的专用吊具工装，生产周期长，批量小，试制成本较高，因此通过CAE技术进行结构强度分析并优化，对于提高吊具安全系数，缩短研发周期，减少研发成本有着重要意义。图所示工装为某铁路货车零部件专用吊具工装初始设计模型，该工装主要由焊接骨架和垫板组成，工装长宽尺寸为16320mmX2120mm。产品通过接触作用在2mm垫板上，垫板与骨架以焊接形式连接。
      垫板厚为2mm，刚度相对骨架较小，可以忽略不计;需要吊装的产品总长度与骨架几乎相等，因此在长度方向上，垫板受力均匀;吊装产品虽然和骨架的宽度方向不相等，但该工装长宽比较大，宽度方向的变形量与长度方向相比较小，因此可以假设在宽度方向上受力均匀，因此可以这样简化该工装的力学模型，把产品作用在垫板的压力转化成垫板对骨架的均压力，既避免了复杂的接触运算，又能保证计算结果的可靠性。该设计模型是一个典型梁单元分析模型，根据力学模型简化结果，取经过梁单元截面中心的线框作为梁单元的几何模型，可以选择在CAD软件中建立线框模型然后以igs格式倒入ABAQUS中，也可在ABAQUS中直接建立线框模型，采用一阶剪切变形梁单元B31对梁单元进行网格划分。吊具工装采用Q235材料焊接而成，考虑自重影响，该材质的材料属性如表所示。该梁有两种截面规格，其几何关系及数值如图所示。图中数字“1”、“2”表示梁方向。由于梁壁厚一致，给出一个厚度即可。根据设计数据，给不同的线架赋予不同截面的梁。计算得到线密度载荷P为2.022N/mm。考虑骨架的自重影响，施加自身的重力载荷，边界载荷条件施加，结果如图所示。建立一个静力学分析步，并求解，在后处理模块中开启梁截面渲染选项，可以准确显示梁的截面尺寸，为了更清楚的显示变形情况，将变形显示比例缩放至24倍，其应力、应变结果如图所示。由图可知，该骨架的最大应力为161.9MPa，最大应变为66mm,处于弹性变形范围内，虽未达到Q235的屈服强度，但不符合吊索具设计安全系数要求。
      以初步分析结果为依据，在应力最大位置该添长度方向的梁，并修改截面2的方向，在ABAQUS中直接添加线框，并赋予截面和材料属性。优化后的线框总长度L为88.66m，产品及垫板的总重量G为139190N不变，由式(1)计算得到的线密度载荷P为1.57N/mm，添加边界载荷条件并提交计算。为了方便观察变形情况，将变形显示比例缩放至60倍，图为优化后骨架结构Miss应力云图，从图中可以看出，最大应力为63.21MPa，图为优化后骨架结构的位移云图，从图中可看出，最大位移为26.64mm，变形处于弹性变形内，既满足了工装吊具产品的安全设计要求，也没有产生设计浪费。优化后的线框机构以igs格式导入CAD软件中重新进行设计。
      根据吊具工装的几何与结构特点，采用了B31梁单元类型，简化了力学模型和边界载荷条件，避免进行复杂的接触分析，以ABAQUS初始分析结果为依据，对结构较为薄弱的环节进行优化设计，分析结果表明，优化后的骨架结构最大应力由161.9MPa减少至63.21MPa，最大位移由66mm减少至26.64mm。通过ABAQUS的使用，避免了产品物理样机试制过程，缩短了产品开发周期，节约了研发成本，提高了吊具工装的安全系数，对铁路吊具工装类产品设计具有参考及指导意义。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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