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本研究的對象為一種安裝在碼頭系纜樁上的具有測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，所以本研究僅針對鉤體進(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確定。首先按照正交試驗(yàn)方法，對纜鉤進(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，見表極差分析過程見表。
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)分開赤的一種數(shù)學(xué)方法。為了確定四因子(CBS，B2，H，D)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的顯著程度，需對試驗(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，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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