异形筒段吊具的设计与优化

2020-07-06

装备机械 2020年2期

关键词：销轴吊具异形

山西航天清华装备有限责任公司山西长治 046000

1 设计背景

在航天产品总装生产线上,常常需要借助吊具来满足装配需求。对于形状规则的产品,吊具设计相对简单,有时采用车间吊带即可实现起吊。而对于异形筒段或者其它形状复杂的产品,设计一种专用的吊具显得尤为重要。

笔者以某型号产品异形筒段为适用对象,设计了一种新型吊具,并借助有限元分析软件,研究吊梁在最大起吊载荷下的结构强度和刚度,对吊梁进行拓扑优化,得到优化后的吊具结构。

2 吊具结构

应用Unigraphics软件建立了所设计的异形筒段吊具的三维模型,如图1所示。这一吊具主要由主吊梁、前吊梁、后吊梁、起吊组件、销轴、吊带、卸扣等组成。主吊梁和前、后吊梁之间采用螺栓连接,可以实现快速拆装,满足运输要求。吊装时,上端吊带直接与吊车吊钩连接,下端吊带通过起吊组件连接至异形筒段吊点上。

主吊梁由方钢管和起吊板焊接而成,并在方钢管两端焊接有法兰板,用于与前、后吊梁法兰板连接。在起吊板左右两侧各设计有四个直径为30 mm的孔,用于吊装时调节质心。

后吊梁主要由圆钢管折弯而成,且在折弯处焊接有斜圆钢管提高刚性。在圆钢管中部焊接有连接轴、法兰板,用于与主吊梁连接。后吊梁左右两腿底部焊接有堵板,堵板上开槽,并加工销孔安装销轴,通过吊带、起吊组件等与异形筒段吊点实现连接。前吊梁结构与后吊梁相似,为了使吊具自身质心和起吊时整体质心相重合,将后吊梁中的圆钢管换为圆钢,其余结构均相同。

图1 异形筒段吊具三维模型

吊梁作为整套吊具的关键部件,其结构直接关系到起吊安全和使用寿命,因此,有必要对吊梁进行有限元分析和优化设计。

3 有限元分析

为了验证异形筒段吊具的安全可靠性,笔者对吊具吊梁的受力情况进行有限元分析。将吊梁的三维模型导入ANSYS Workbench软件,对其进行网格划分,施加载荷和边界条件,最终得到有限元分析结果。

吊梁所用材料为Q345钢,屈服极限为345 MPa。主吊梁中方钢管尺寸为80 mm×80 mm×6 mm,前吊梁中圆钢直径为80 mm,斜圆钢直径为60 mm,后吊梁中圆钢管尺寸为φ80 mm×6 mm,斜圆钢管尺寸为φ60 mm×4 mm。吊梁总质量为407.2 kg。

主吊梁受力分析如图2所示。由于吊梁额定起吊质量为900 kg,因此Fz为9 000 N。前吊梁距离起吊点340 mm,后吊梁距离起吊点820 mm。Fq为前吊梁受力,Fh为后吊梁受力。起吊点即为异形筒段与吊梁的合质心位置。

图2 主吊梁受力分析

根据力矩平衡原理[1],有:

Fh×1 160=Fz×340

(1)

又有:

Fz=Fq+Fh

(2)

由此可得Fq为6 362 N,Fh为2 638 N。

可见,对于前吊梁而言,其受到竖直向上的合力为6 362 N,单侧受力为3 181 N;对于后吊梁而言,其受到竖直向上的合力为2 638 N,单侧受力为1 319 N。

由于异形筒段吊点的位置不同,实际使用时,前吊梁和后吊梁下端销轴的受力情况也不一样。吊梁力学三角形如图3所示。Fy1为前吊梁下端销轴处所受竖直方向的分力,Fx1为前吊梁下端销轴处所受水平方向的分力,F1为前吊梁下端销轴处所受合力,由此可知,前吊梁单侧销轴所受合力为3 290 N。Fy2为后吊梁下端销轴处所受竖直方向的分力,Fx2为后吊梁下端销轴处所受水平方向的分力,F2为后吊梁下端销轴处所受合力。由此可知,后吊梁单侧销轴所受合力为1 428 N。