纯尼龙管钳不同内部嵌件的数值仿真分析

摘要：管钳是管道安装中的必备工具，也是其他行业如机械，船舶，化工等工业中常用的工具。目前常用的德式和美式管钳一般都是采用金属合金铸造而成。本文采用了一种新型的制造工艺，即利用含玻璃纤维增强尼龙材料制作管钳钳身，在管钳危险截面处，利用Pro/E软件设计出不同嵌件，运用有限元软件对管钳及其内部嵌件进行了静力学分析，同时在弯曲试验机上进行了强度校核试验，优化管钳结构，从而满足了市场对该产品价廉物美、轻巧舒适的需求。

关键词：管钳 数值仿真

1、引言

管钳是管道安装中的必备工具，也是其他行业如机械，船舶，化工等工业中常用的工具。目前常用的德式和美式管钳一般都是采用金属合金铸造而成。因为铸造的缘故，管钳的表面比较粗糙，而且为了满足强度要求，手柄尺寸比较粗大笨重。表面处理采用喷漆处理，经磕碰涂层容易脱落，管钳色彩单一。由于管钳是由铸钢制成，不宜经常在含液体的工作环境中使用，限制了其应用范围。近年来，新型复合材料高速发展，已广泛应用于建筑、汽车制造、船舶等行业。随着新型复合材料的制造技术日趋成熟，管钳行业采用以工程塑料代替铸造铝合金材料已成为必然趋势，势必将会掀起管钳制造行业领域内的新的革命。

本文所分析的管钳就是在现有的采用铝合金制造管钳的工艺上，提出了一种新型的制造工艺，即用注塑的方法得到非金属表面的手柄，所谓“以塑代钢”。利用塑料成型的优点，比如重量轻、表面精细多样、可以调配颜色、耐腐蚀等，突破人们意识中管钳笨重、粗糙的概念，制造一种新概念的管钳产品。文中的管钳采用了这种新型的制造工艺，即利用含玻璃纤维增强尼龙材料制作管钳钳身，在管钳危险截面处，加入不同嵌件，运用有限元软件对管钳及其内部嵌件进行了静力学分析，进行了比较，得出更优化的结构。

由于管钳内嵌件为主要受力承载单元，同时应用整体进行仿真非常费时，为了缩短研发周期，本文主要模拟了管钳内部嵌件的受力状态，并对其仿真结果进行分析。边界条件为约束住嵌件上U字型结构的前端和工字型结构的末端，根据实际工作条件的要求，在嵌件末端加5500N的集中力作用。均采用自由分网的方法划分网格。以下，就是对几种内部嵌件结构的仿真与分析。

2、对铸造式嵌件的数值仿真

由图1可见，在嵌件体与U字型结构的过渡处出现了明显的应力集中现象，最大应力值达到2038MPa，45#钢的抗拉强度为600MPa，可见其最大应力值已远远超过其抗拉强度；仿真结果显示其平均应力值也远远超过了45#钢的屈服强度（355MPa），所以这种嵌件结构并不能满足设计要求。分析应力集中的原因主要是由于该处截面变化过大，因此对此结构进行改进，增加一些过渡性结构设计来改善应力集中。

由图2可见，在嵌件体与U字型结构的过渡处采用了圆角进行过渡，并减小其在高度方向的落差，其应力集中现象明显缓解。将嵌件头到下面工字钢的高度落差向后延伸，采用平滑曲面缓慢过渡，虽然该处出现一定程度应力集中，但其最大值仅为986MPa，相比图2的结构已大大减小。此外，本结构在嵌件下方工字钢部分进行适当的开孔设计，这一方面减轻了嵌件重量，使尼龙在浇注时可以贯穿工字钢左右；另一方面也从一定程度上分散了应力集中。需要注意的是，孔不应分布在工字钢有应力集中区域的下方。

由图3可见，该结构与图2的结构大体一致，区别在于从嵌件头下方到工字钢的高度落差部分的过渡曲面区域变小，对工字钢下方的开孔方式进行了一定的变化。前者使应力最大区域进一步减小，且最大应力值也有一定的减小；后者是采用了大小孔相结合的开孔方式，目的与上一结构基本相同。

由图4可见，该结构在嵌件头至工字钢的过渡区域采用了中空的设计结构，这样的设计同样可以使尼龙在浇注时贯穿嵌件左右两边，提高嵌件与尼龙的结合度。同时，在过渡截面处均采用适当的圆角结构进行处理，这也使得这种结构的应力集中现象进一步缓解，其最大应力值虽提高到1113MPa，但有很大一部分应力分散在嵌件背面，是以压应力形式存在的。

由图5可见，该结构与图4结构的区别在于嵌件头至工字钢的过渡区域的中空设计被分成两部分。这种设计减小了中空段之间的距离，提5高了这块区域的刚度。可见这一设计也较好的解决了应力集中的问题，其最大应力值为823MPa。

由图6可见，该结构与图5的结构大体相同，区别在于在嵌件头与下方工字型结构过渡区域处设计了一截伸出的悬空结构。在嵌件浇注尼龙时该结构可以使一定量的尼龙卡在其下方，防止管钳受力时这一部位发生撕裂。这种结构同样没有明显的应力集中现象，各过渡截面受力情况都比较平缓，其最大应力值为789MPa。

图1-图6所示的铸造式嵌件都用了工字型结构与增加结合度的一些优化结构，使嵌件具有了较高的强度，但是这些铸造件工字型部分厚度较薄并且结构太长，所以浇铸时会出现各种各样的问题，同时铸造件的生产效率较低，不适合大批量生产。为了满足大批量生产的要求，本文又对生产效率较高的钣金式嵌件进行了仿真。以下是对钣金式嵌件的仿真设计及优化过程。

3、对钣金式嵌件的数值仿真（如图7图8）

由图7可见，该结构由两块对称的工字型钣金件压焊拼接而成，由于钣金件仅2mm厚，所以在力矩作用下，其变形较大，且所受最大应力超过2000MPa，平均应力值也过大，应力集中现象较明显，并不能满足设计要求。

由图8可见，该结构有三块钣金件组成，两块对称的工字型金钣件压焊拼接，再在理论应力最大处加上一个L型钣金件结构提高其应力集中处的强度。在工字型钣金件上布置小孔以增强其抗撕裂的性能。由图可见其所承受的最大应力为1186MPa，平均应力值比45#钢热处理后的屈服强度略大，由于钣金件比较薄，所以其受力后变形较明显，能否满足要求还要通过试验进行验证。（如图9图10）

由图9可见，此钣金件在拼接的工字型钣金件基础上，针对其强度薄弱处加上了一对对称的加强钣金件结构，增加它在截面上的惯性矩，以提高嵌件受力最大位置的强度。此外，这一对加强钣金件对工字型钣金件的支撑作用必然会大大减小其受力后的变形量，由图中可以看出嵌件所受的最大应力下降到961MPa，应力分布也比较均匀，仿真结果得到的平均应力值略小于45#钢热处理后的屈服强度，基本满足设计要求。

由图10可见，在上一个钣金件结构的基础上，在侧面布置小孔使尼龙在浇注时可以贯穿，以增加钣金件与尼龙材料的结合度，防止撕裂，同时还起着减轻管钳总体重量的作用。此外，小孔的分布也从一定程度上分散了应力，由图可见其最大应力值有所减小，为885MPa，平均应力值也有所下降，所以此为较优的设计，基本满足设计要求。

4、结语

以上对铸造式嵌件与钣金式嵌件进行了静力学模拟，结果表明铸造件的强度要比钣金件的强度略高，但是从工艺角度考虑，铸造件并不能适应大规模生产的要求，其生产效率较低，而钣金件的生产效率远高于铸造件，所以在保证强度的前提下，为满足生产效率的要求还是选用钣金件作为管钳的嵌件。图11提供的加强式钣金件的嵌件方案，从仿真结果可见其强度基本满足设计要求。