山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 山西長(zhǎng)治 046000

1 設(shè)計(jì)背景

在航天產(chǎn)品總裝生產(chǎn)線上,常常需要借助吊具來(lái)滿足裝配需求。對(duì)于形狀規(guī)則的產(chǎn)品,吊具設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單,有時(shí)采用車(chē)間吊帶即可實(shí)現(xiàn)起吊。而對(duì)于異形筒段或者其它形狀復(fù)雜的產(chǎn)品,設(shè)計(jì)一種專(zhuān)用的吊具顯得尤為重要。

筆者以某型號(hào)產(chǎn)品異形筒段為適用對(duì)象,設(shè)計(jì)了一種新型吊具,并借助有限元分析軟件,研究吊梁在最大起吊載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度,對(duì)吊梁進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,得到優(yōu)化后的吊具結(jié)構(gòu)。

2 吊具結(jié)構(gòu)

應(yīng)用Unigraphics軟件建立了所設(shè)計(jì)的異形筒段吊具的三維模型,如圖1所示。這一吊具主要由主吊梁、前吊梁、后吊梁、起吊組件、銷(xiāo)軸、吊帶、卸扣等組成。主吊梁和前、后吊梁之間采用螺栓連接,可以實(shí)現(xiàn)快速拆裝,滿足運(yùn)輸要求。吊裝時(shí),上端吊帶直接與吊車(chē)吊鉤連接,下端吊帶通過(guò)起吊組件連接至異形筒段吊點(diǎn)上。

主吊梁由方鋼管和起吊板焊接而成,并在方鋼管兩端焊接有法蘭板,用于與前、后吊梁法蘭板連接。在起吊板左右兩側(cè)各設(shè)計(jì)有四個(gè)直徑為30 mm的孔,用于吊裝時(shí)調(diào)節(jié)質(zhì)心。

后吊梁主要由圓鋼管折彎而成,且在折彎處焊接有斜圓鋼管提高剛性。在圓鋼管中部焊接有連接軸、法蘭板,用于與主吊梁連接。后吊梁左右兩腿底部焊接有堵板,堵板上開(kāi)槽,并加工銷(xiāo)孔安裝銷(xiāo)軸,通過(guò)吊帶、起吊組件等與異形筒段吊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)連接。前吊梁結(jié)構(gòu)與后吊梁相似,為了使吊具自身質(zhì)心和起吊時(shí)整體質(zhì)心相重合,將后吊梁中的圓鋼管換為圓鋼,其余結(jié)構(gòu)均相同。

圖1 異形筒段吊具三維模型

吊梁作為整套吊具的關(guān)鍵部件,其結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到起吊安全和使用壽命,因此,有必要對(duì)吊梁進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 有限元分析

為了驗(yàn)證異形筒段吊具的安全可靠性,筆者對(duì)吊具吊梁的受力情況進(jìn)行有限元分析。將吊梁的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件,對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,施加載荷和邊界條件,最終得到有限元分析結(jié)果。

吊梁所用材料為Q345鋼,屈服極限為345 MPa。主吊梁中方鋼管尺寸為80 mm×80 mm×6 mm,前吊梁中圓鋼直徑為80 mm,斜圓鋼直徑為60 mm,后吊梁中圓鋼管尺寸為φ80 mm×6 mm,斜圓鋼管尺寸為φ60 mm×4 mm。吊梁總質(zhì)量為407.2 kg。

主吊梁受力分析如圖2所示。由于吊梁額定起吊質(zhì)量為900 kg,因此Fz為9 000 N。前吊梁距離起吊點(diǎn)340 mm,后吊梁距離起吊點(diǎn)820 mm。Fq為前吊梁受力,Fh為后吊梁受力。起吊點(diǎn)即為異形筒段與吊梁的合質(zhì)心位置。

圖2 主吊梁受力分析

根據(jù)力矩平衡原理[1],有:

Fh×1 160=Fz×340

(1)

又有:

Fz=Fq+Fh

(2)

由此可得Fq為6 362 N,Fh為2 638 N。

可見(jiàn),對(duì)于前吊梁而言,其受到豎直向上的合力為6 362 N,單側(cè)受力為3 181 N;對(duì)于后吊梁而言,其受到豎直向上的合力為2 638 N,單側(cè)受力為1 319 N。

由于異形筒段吊點(diǎn)的位置不同,實(shí)際使用時(shí),前吊梁和后吊梁下端銷(xiāo)軸的受力情況也不一樣。吊梁力學(xué)三角形如圖3所示。Fy1為前吊梁下端銷(xiāo)軸處所受豎直方向的分力,Fx1為前吊梁下端銷(xiāo)軸處所受水平方向的分力,F1為前吊梁下端銷(xiāo)軸處所受合力,由此可知,前吊梁?jiǎn)蝹?cè)銷(xiāo)軸所受合力為3 290 N。Fy2為后吊梁下端銷(xiāo)軸處所受豎直方向的分力,Fx2為后吊梁下端銷(xiāo)軸處所受水平方向的分力,F2為后吊梁下端銷(xiāo)軸處所受合力。由此可知,后吊梁?jiǎn)蝹?cè)銷(xiāo)軸所受合力為1 428 N。

圖3 吊梁力學(xué)三角形

采用網(wǎng)格自動(dòng)劃分法,對(duì)吊梁模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[2-5]。吊梁網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示,節(jié)點(diǎn)數(shù)為141 154,單元數(shù)為77 892。

圖4 吊梁網(wǎng)格劃分結(jié)果

通過(guò)對(duì)吊梁施加相應(yīng)的載荷和約束條件,求解得到吊梁的最大應(yīng)力值為139.42 MPa,如圖5所示,吊梁的最大變形量為4.36 mm,如圖6所示。吊梁選用材料為Q345鋼,屈服極限為345 MPa,安全因數(shù)為2.48,安全因數(shù)大,存在優(yōu)化的空間。

圖5 吊梁應(yīng)力云圖

圖6 吊梁變形云圖

4 拓?fù)鋬?yōu)化

為實(shí)現(xiàn)異形筒段吊具的輕量化設(shè)計(jì),選擇采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)[6],對(duì)異形筒段吊具吊梁進(jìn)行優(yōu)化,既要使吊梁的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求,又要減輕質(zhì)量。

進(jìn)入ANSYS Workbench軟件Shape Optimization模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),將輕量化目標(biāo)設(shè)置為40%,得到吊梁的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果,如圖7所示。

圖7 吊梁拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

圖7中,灰色區(qū)域?yàn)楸Ａ魠^(qū)域,紅色區(qū)域?yàn)槿コ齾^(qū)域?？梢钥闯?前、后吊梁的去除區(qū)域要遠(yuǎn)大于主吊梁的去除區(qū)域。因此,考慮將前、后吊梁所用材料的尺寸縮小,為實(shí)現(xiàn)整體比例協(xié)調(diào),同時(shí)將主吊梁所用材料的尺寸也適當(dāng)縮小。

依據(jù)優(yōu)化結(jié)果,對(duì)吊梁三維模型進(jìn)行修改。優(yōu)化后吊梁模型如圖8所示。優(yōu)化后,主吊梁中方鋼管尺寸為70 mm×70 mm×6 mm,前吊梁中圓鋼直徑為60 mm,斜圓鋼直徑為50 mm,后吊梁中圓鋼管尺寸為φ60 mm×6 mm,斜圓鋼管尺寸為φ50 mm×4 mm。此時(shí),吊梁質(zhì)量為238.3 kg。

圖8 優(yōu)化后吊梁模型

對(duì)優(yōu)化后的吊梁模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,節(jié)點(diǎn)數(shù)為148 183,單元數(shù)為76 494,施加同樣的載荷和邊界條件后，再次進(jìn)行有限元分析。優(yōu)化后吊梁應(yīng)力云圖如圖9所示,最大應(yīng)力值為247.26 MPa。優(yōu)化后變形云圖如圖10所示,最大變形量為11.9 mm。優(yōu)化后安全因數(shù)為1.4,滿足使用要求。

圖9 優(yōu)化后吊梁應(yīng)力云圖

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一種易拆裝、使用方便的異形筒段吊具,借助有限元分析軟件,研究吊具吊梁在最大起吊載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。為實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì),對(duì)吊梁進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化,最終得到優(yōu)化后的吊具結(jié)構(gòu)。

圖10 優(yōu)化后吊梁變形云圖

經(jīng)分析,優(yōu)化后的異形筒段吊具體積減小，質(zhì)量減輕,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度依然滿足使用要求。最終優(yōu)化得到的異形筒段吊具，不僅外觀美觀,而且降低了生產(chǎn)成本[7-10],滿足精益生產(chǎn)要求,符合未來(lái)吊具設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。