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本研究的對(duì)象為一種安裝在碼頭系纜樁上的具有測(cè)力功能的智能系泊纜鉤，其基本形狀如圖所示。由于構(gòu)造等原因，鉤體外部采用折線形，而非常規(guī)弧線形。纜鉤方向能夠隨著纜繩拉力而自由調(diào)整，纜鉤內(nèi)壓力傳感器能夠精確測(cè)定纜鉤所承受的纜繩拉力。為了能充分利用原有系纜樁，纜鉤尺寸要求盡可能小，因此對(duì)這種纜鉤進(jìn)行有限元分析強(qiáng)度是必要的。由于纜鉤強(qiáng)度主要考慮鉤體部分，所以本研究?jī)H針對(duì)鉤體進(jìn)行了有限元建模，而纜鉤其它部分的尺寸則根據(jù)鉤體大小以及布置等要求來(lái)確定。首先按照正交試驗(yàn)方法，對(duì)纜鉤進(jìn)行了有限元應(yīng)力計(jì)算分析，找出了纜鉤各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其應(yīng)力影響的規(guī)律，然后以計(jì)算弧形鉤體強(qiáng)度的基于彈性梁理論的公式為基礎(chǔ)，對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了回歸，得到了鉤體最大應(yīng)力計(jì)算的修正公式，從而為纜鉤的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
纜鉤由CrMo鋼鍛造而成，可承受約50t載荷，其安全系數(shù)取2，采用第四強(qiáng)度理論，以密息斯屈服準(zhǔn)則進(jìn)行強(qiáng)度校核。纜鉤可采用的截面形式主要有五種：圓形或橢圓形、梯形、矩形、三角形和“T”字型。從受力情況看，T字型截面最為合理，但由于制造復(fù)雜，很少采用；圓形及橢圓形截面僅用于小型吊鉤；矩形截面比較笨重，其承載能力未能充分發(fā)揮；梯形截面由于分布相對(duì)合理，目前最為常用；三角形截面可看作梯形截面的特殊情況。
對(duì)圖所示的纜鉤，按照碼頭使用條件、工藝要求以及系泊纜繩的粗細(xì)，用ANSYS軟件對(duì)纜鉤16種組合狀態(tài)分別進(jìn)行了最大應(yīng)力計(jì)算。表為具體正交實(shí)驗(yàn)方案和ANSYS計(jì)算結(jié)果，表中的部分組合可能不符合纜錢設(shè)計(jì)基本原則，但為了遵循正交試驗(yàn)的要求和基本思想，同樣也進(jìn)行了計(jì)算。ANSYS是大型通用有限元計(jì)算軟件，它不僅提供與其它三維造型程序(如MDT，PRO/E，UG等)的接口，而且自身也具有非常強(qiáng)大的建模能力。對(duì)圖中所示纜鉤的鉤體部分，充分利用該軟件“自底而上”的建模方法(由點(diǎn)及線，由線及面，由面及體)，運(yùn)用“蒙皮”技術(shù)以及該軟件提供的強(qiáng)大的布爾運(yùn)算功能，建立纜鉤有限元分析模型，如圖所示，然后加上載荷和邊界條件后求解，可分別算出16次試驗(yàn)纜鉤的A點(diǎn)最大應(yīng)力值，見(jiàn)表極差分析過(guò)程見(jiàn)表。
根據(jù)因子各水平的平均值，可得到因子和指標(biāo)的關(guān)系圖，圖中各點(diǎn)的高低相差程度反映了四因子(CB1，B2，H，D)各水平對(duì)最大應(yīng)力的影響大小。點(diǎn)子高低相差大，則因子靈敏度高，為顯著因子，反之則為不顯著因子。從圖可看出，四因子對(duì)纜鉤最大應(yīng)力的影響程度依次為B1>B>D。方差分析是將因子水平變化引起的試驗(yàn)結(jié)果間的差異，與誤差波動(dòng)所引起的試驗(yàn)結(jié)果間的差異區(qū)分開(kāi)赤的一種數(shù)學(xué)方法。為了確定四因子(CBS，B2，H，D)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的顯著程度，需對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析。方差的大小反映出該因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)均值的偏離程度。由計(jì)算可知，D和E很接近，因此可認(rèn)定D的方差值不是由該因素的變化引起的，而是實(shí)驗(yàn)誤差的一種反映，與實(shí)驗(yàn)誤差來(lái)自于同一個(gè)樣本總體，因此D可合并到實(shí)驗(yàn)誤差中，若纜鉤鉤體下部外輪廓為弧形，則可根據(jù)曲線梁理論進(jìn)行強(qiáng)度校核。但圖中的纜鉤外輪廓呈折線形，它改變了鉤身應(yīng)力分布，如仍按曲線梁理論得出的公式進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，則需適當(dāng)修正。
經(jīng)分析認(rèn)為鉤身形狀的變化主要對(duì)AA截面高度H產(chǎn)生影響。現(xiàn)假設(shè)：本研究采用修訂公式對(duì)一些特種纜鉤進(jìn)行了最大應(yīng)力計(jì)算，并與ANSYS計(jì)算結(jié)果作了比較。由比較結(jié)果可見(jiàn)，修訂公式能夠滿足此種纜鉤在表選定的尺寸變化范圍內(nèi)工程設(shè)計(jì)的需要，因此可以認(rèn)為關(guān)于等效截面高度的假定是可以成立的，回歸公式的選用也是合理的。
對(duì)于類似圖中的大負(fù)荷高強(qiáng)度纜鉤，取梯形截面較為合理，最大應(yīng)力發(fā)生于AA截面的內(nèi)側(cè)A點(diǎn)，截面高度H與截面外側(cè)寬度B1對(duì)纜鉤強(qiáng)度有著顯著影響，截面內(nèi)側(cè)寬度B次之。本研究針對(duì)這種外輪廓形狀的纜鉤，修訂了計(jì)算應(yīng)力的曲線梁計(jì)算公式，計(jì)算精度能夠滿足工程計(jì)算的需要。對(duì)于選定范圍內(nèi)此種纜鉤的設(shè)計(jì)與優(yōu)化有一定的參考價(jià)值。
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