发泡筒吊具结构优化及有限元分析

陈 霞 崔卫国 范伟利 李 应 李 青 刘慧芬 冯然然 黄汝哲



发泡筒吊具结构优化及有限元分析

陈 霞 崔卫国 范伟利 李 应 李 青 刘慧芬 冯然然 黄汝哲

（山西航天清华装备有限责任公司，长治 046012）

针对传统吊具在发泡筒吊装转运过程中存在的安全隐患等问题，研制了一种发泡筒转运的专用吊具，并使用三维建模软件优化吊具模型，对吊具中的受力件进行有限元分析。通过有限元分析结果和强度校核理论，对吊具进行了结构优化设计，为今后专用吊具的研制提供了有价值的参考。

吊具；结构优化；有限元分析

1 引言

在发射筒体的装配过程中，发泡筒作为发射筒体的保温层，它的起吊转运极为重要。传统吊具常用的有普通钢丝绳索具和吊具厂家提供的专用吊具两种。普通钢丝绳索具对钢丝绳的要求极高，且安全系数低，在特定情况下才用于工件吊装；吊具厂家提供的专用吊具可用于多件大批量工件的转运、吊装，且吊具拆卸工作繁琐。

本文针对发泡筒的使用状态，对传统吊具进行结构优化设计，研制了一种新型的发泡筒专用吊具，并利用有限元分析软件，对吊具的受力件进行有限元分析，最终优化了发泡筒吊具的结构模型。

2 吊具结构优化模型的建立

2.1 吊具三维实体模型的建立

吊具结构主要由钢板组成，钢板材质为Q345A,吊具主要包括左吊杆、右吊杆、吊耳、撑杆和限位环组成。发泡筒吊具示意图如图1所示。

图1 发泡筒吊具示意图

从图1可以看出，左吊杆、右吊杆位于吊耳的两侧，与吊耳使用销轴固定连接，且结构相同，均为厚度相同的薄板结构；撑杆一端通过销轴与右吊杆相连，一端与左吊杆上的限位环固定连接；吊具装配时，先将左吊杆、右吊杆、吊耳使用销轴装配完毕，并将发泡筒夹紧后，再确定限位环在左吊杆上的焊接位置，发泡筒夹紧后，使撑杆的卡槽正好落入限位环内。

2.2 关键受力件的结构设计

根据吊具的使用状态，对吊具关键受力件左吊杆、右吊杆的结构进行优化设计，右吊杆结构示意图如图2所示。

图2 右吊杆结构示意图

从图2右吊杆结构示意图可以看出，右吊杆吊钩处圆心与吊杆中心线为33°，吊钩中心距销孔中心的垂直距离331mm，吊杆板厚10mm，材料为Q345A，与撑杆连接的销孔直径为10.5mm，两销孔的垂直距离146.5mm；左吊杆与右吊杆结构相同，左吊杆不需加工与撑杆连接的销孔。

图3 吊耳结构示意图

从图3吊耳结构示意图可以看出，吊耳包括起吊孔和销孔，吊具起吊时起吊孔与钢丝绳索具相连，吊耳通过销孔与左吊杆、右吊杆连接，左吊杆、右吊杆与吊耳对称布置。

3 有限元分析

3.1 吊具的有限元分析

为了验证吊具的安全可靠性，利用有限元离散理论建立吊具及吊耳的有限元模型，再对其进行网格划分，设置边界条件，施加载荷，最后进行有限元分析，得到改进前吊具应力云图如图4所示。

图4 改进前吊具应力云图

从图4改进前吊具应力云图可以看出，吊具的最大应力为277.5MPa，最大应力位于吊钩与吊杆的连接处，吊具材料为Q345A，许用应力为345MPa，安全系数为1.24，安全系数过低，不能满足吊具的使用要求。通过有限元分析结果和强度校核理论调整了吊具结构的外形尺寸，加大吊钩与吊杆连接处的宽度，改进后吊具应力云图如图5所示。

图5 改进后吊具应力云图

从图5可以看出，最大应力降至59.839MPa，安全系数5.8，改进后的吊具结构能满足吊具的使用要求。

3.2 吊耳的有限元分析

吊耳作为吊具起吊时的关键受力件，它的结构将直接影响吊具的安全性能和使用寿命，吊耳材料为Q345A，钢板厚度为10mm，对销孔施加4500N的载荷，通过对吊耳建立有限元模型，设置边界条件，施加载荷，得到吊耳的有限元分析结果，吊耳应力云图如图6所示。

图6 吊耳应力云图

从图6可以看出，吊耳的最大应力为19.142MPa，最大应力点位于销孔周边，安全系数为18.023，能满足吊具的使用要求。

4 吊具加载试验

为了验证吊具结构安全可靠性，对吊具做了静载和动载试验。

4.1 吊具静载试验

使用吊具将发泡筒夹紧后，垂直提升至离地面约200mm高的位置，持续15min，然后把发泡筒平稳地放置于存放区，将吊具拆卸后进行检查，并使用焊缝探伤工具检查焊缝是否有裂纹和受力关键部位的变形情况。试验结果表明，吊具未出现裂纹、永久变形，连接处未出现异常松动或损坏，静载试验合格。

4.2 吊具动载试验

对吊具进行动载试验时，使用吊具以上升不大于3m/min、下降不大于2m/min的升降速度将发泡筒提升至离地面约为2.5～3m的高度，然后降至地面。在下降过程中制动3次。上述试验过程重复3次。然后卸载，检查吊具的焊缝、结构变形和连接松动情况。实验结果表明，起吊翻转结构无松动和损坏，各项参数达到预期要求，动载试验合格。

5 结束语

通过对传统吊具和厂家外购吊具的不足之处进行分析研究，针对发泡筒的使用状态，设计出一套发泡筒专用吊具结构，并使用有限元分析结果和强度校核理论，改进吊具结构的外形结构，得到了吊具的优化结构。

为了进一步验证吊具的安全可靠性和延长其使用寿命，对吊具进行了静载和动载试验，实验结果表明：吊具焊缝无裂纹且无永久变形，吊具结构安全可靠。

1 龚曙光. Ansys工程应用实例解析[M]. 北京：机械工业出版社，2003

2 成大先. 机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2002

3 高泽远，王金. 机械设计基础课程设计[M]. 沈阳：东北工学院出版社，1987

4 刘国庆，杨庆东. Ansys工程应用教程[M]. 北京：中国铁道出版社，2003

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6 刘鸿文. 材料力学[M]. 北京：高等教育出版社，2004

Structure Optimization and Finite Element Analysis of Sling in Foam Barrel

Chen Xia Cui Weiguo Fan Weili Li Ying Li Qing Liu Huifen Feng Ranran Huang Ruzhe

(Shanxi spaceflight Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046012)

Focusing on the security risks of loading of the traditional sling in the foam barrel, a special suspension was designed for the transfer. The crane model was optimized by three modeling software, and the finite element analysis of the force of the sling was carried out., The design of the sling was optimized on the basis of the finite element analysis results and strength theory, which provides valuable reference for the development of special cranes in the future.

sling；optimum structure；finite element analysis

陈霞(1985)，工程师，机械设计及理论专业；研究方向：工艺装备及非标设备的设计与研究。

2017-11-27