艙段翻轉吊具的設計及分析

劉慧芬，張曉強，郭瑞斌，崔衛國，牛永進，邱紅亮

（山西航天清華裝備有限責任公司 技術中心，山西 長治 046000）

0 引言

在某航天產品的總裝過程中，各艙段作為其主要部件，它的起吊、翻轉尤為重要。以往的起吊、翻轉吊具常常需要設計兩根吊梁，分別通過吊帶、卸扣、轉接件等與艙段的前后端框連接，起吊、翻轉時需要借助兩臺天車進行吊裝，使用過程繁瑣，對天車工的操作要求高，且整個翻轉過程受人為影響較大，存在一定的安全隱患。

本文以某艙段作為研究對象，對其起吊及翻轉狀態進行研究，設計出一種單梁起吊翻轉吊具，并借助有限元分析軟件對該吊具的關鍵零部件進行受力分析，最終得到優化后的吊具模型。

1 吊具結構優化模型的建立

1.1 吊具三維模型的建立

根據要求，艙段翻轉時只能使用一臺吊車進行翻轉，因此，翻轉點需與產品質心重合或在產品質心上方才能實現翻轉。艙段總重789kg，總長613mm，質心在距離前端215mm的位置，且該艙段后端框有交錯布置的通孔，前端框沒有。因此，需要借用后端框上的通孔將起吊點調整到產品質心位置上。

通過UG軟件建模得到該艙段反轉吊具的三維模型，如圖1所示。該吊具主要由三角形吊梁、轉接梁、卡箍、轉接板、起吊組件、吊帶等組成。

從圖1可以看出，在卡箍的兩側焊接螺桿用于與轉接梁連接，轉接板一側為弧形結構用于與產品連接，另一側為螺桿，用于與轉接梁連接，而轉接梁上焊接有起吊軸，用于與起吊組件連接，起吊組件通過吊帶、卸扣與吊梁連接，實現起吊。

1.2 三角形吊梁的結構設計

吊梁作為整套吊具的核心部件，其結構好壞直接關系到起吊的安全性和吊具的使用壽命。根據實際受力情況，設計出的三角形吊梁結構示意圖見圖2。三角形吊梁由橫梁、連接板、銷軸、卸扣、吊帶組成。橫梁與連接板通過銷軸連接，連接板通過卸扣與吊帶連接。卸扣采用巨力 S-BW0.75-3／8型卸扣，額定載荷為0.75t。橫梁由一根長度為928mm、材料為Q345A的Φ42×3的圓鋼管與兩個堵頭焊接而成。該吊梁重量為5.5kg，且在該橫梁上開有三組銷孔，用于滿足其余各艙段的起吊、翻轉要求。

圖1 某艙段翻轉吊具結構示意圖

圖2 三角形吊梁結構示意圖

1.3 轉接板的結構設計

轉接板為一體加工件，用于連接艙段后端框和轉接梁，由弧板和連接軸組成。弧板上6個位置打孔用于與后端框上的6個M6螺紋孔連接，連接軸為臺階軸，通過墊圈、螺母與轉接梁相連。轉接板結構示意圖見圖3。

現對后端框上的6個螺紋孔的受力情況進行分析。使用時，每組螺栓承受6 000N的剪切力。假定每個螺栓各承受1 000N的剪力，乘以1.25倍動載系數，按每個螺栓承受1 250N的剪力進行計算。

圖3 轉接板結構示意圖

根據文獻［1］，剪應力τ（Pa）由下式計算：

其中：Q為剪力，Q＝1 250N；A 為剪切面積，A＝πd2／4＝28mm2＝28×10－6m2。計算可得：τ＝44.6MPa。

產品材料為鋁合金2A14，該材料規定非比例伸長應力為295MPa［2－3］，其許用剪切應力τp＝295／2＝147.5MPa。由此可得安全系數n＝τp／τ＝3.3，滿足要求。

1.4 起吊組件的結構設計

起吊組件結構如圖4所示，它由起吊板、擋環、蝶形螺栓、回轉軸組成。起吊板上開有的Φ14小孔為起吊孔，通過卸扣、吊帶與吊梁連接。其上開有的Φ30、Φ20連通孔，用于與轉接梁上的起吊軸相連。起吊時，需將擋環安裝到位，以免翻轉時發生危險。

2 有限元分析

為了驗證吊具的安全可靠性，采用ANSYS Workbench對吊具關鍵零組件進行了有限元分析［4－5］。通過有限元離散理論建立其有限元模型，再對其進行網格劃分、邊界條件設置、載荷施加，最后對其進行有限元分析。

2.1 三角形吊梁橫梁有限元分析

為使計算結果更接近真實狀態，現將該橫梁結構簡化等效為一半梁，進行強度分析和穩定性分析。

該三角形吊梁兩吊帶間夾角為60°，該艙段重789 kg，以該橫梁一側銷軸為受力點進行受力分析，力學原理如圖5所示。

由圖5可知，該橫梁只受沿桿方向的2 280N的壓力，不受彎矩。通過在橫梁切斷處截面上棱線處加載固定約束，在另一端遠端銷孔位置施加Y方向的2 280N的載荷，得到有限元分析結果，其應力云圖如圖6所示。

從圖6可以看出，該吊梁的最大應力值為13.49 MPa，最大應力在橫梁截面變化最大的位置。鋼管選用材料為Q345B，屈服極限為345MPa，則安全系數為25，滿足使用要求。

圖4 起吊組件結構示意圖

圖5 橫梁力學原理

圖6 橫梁應力云圖

由于該橫梁在使用過程中只受沿桿方向的壓力，因此，需要對該橫梁進行穩定性分析。在橫梁一端施加固定約束，另一端遠端銷孔處施加任意大小（此處為1N）的力，穩定性計算結果如圖7所示。由圖7可知，臨界壓力Pcr＝77 811N＝77.811kN，而實際施加壓力為2.28kN，安全系數為34，符合使用要求。

圖7 橫梁穩定性分析結果

2.2 轉接板有限元分析

轉接板作為吊具起吊時的關鍵受力件，它的結構將直接影響吊具的安全性能和使用壽命。根據力矩平衡原理，可計算出轉接板連接軸處所受的載荷F＝1 384N。因此，在轉接板的6個螺紋孔處施加固定約束，在銷軸處Φ20圓柱面上施加Y方向的1 384N載荷。轉接板施加約束和載荷位置如圖8所示，分析得到轉接板的應力和變形云圖，如圖9和圖10所示。

從圖9可以看出，該轉接件的最大應力值為42.46MPa，最大應力在橫梁截面變化最大的位置。該轉接件選用材料為45鋼，經調質處理后屈服極限為430MPa，安全系數為10.1，滿足要求。

圖8 轉接板約束和載荷施加

圖9 轉接板應力云圖

圖10 轉接板總變形云圖

從圖10可以看出，該轉接板最大變形值為0.036 mm，可忽略不計。

2.3 起吊板有限元分析

該起吊板是整個吊具的主要承力件，上方小孔通過卸扣、吊帶與吊梁連接，下方大孔通過轉接梁、轉接板與產品連接。

通過分析，該起吊板承受的力F＝G艙段／2＝3 945 N。因此，在起吊板的安裝卸扣孔處施加固定約束，在下方Φ20圓柱面上施加Y方向的3 945N的載荷，如圖11所示。分析得到的起吊板應力云圖如圖12所示。

圖11 起吊板約束和載荷施加

圖12 起吊板應力云圖

從圖12可以看出，該起吊板的最大應力值為55.2 MPa，最大應力在橫梁截面變化最大的位置。起吊板選用材料為Q345A，屈服極限為345MPa，安全系數為6.25，滿足要求。

3 結語

通過對某型號產品艙段的起吊、翻轉方法進行分析研究，設計出一套結構簡單、輕便、易拆裝、使用方便的吊具，并經過有限元分析計算，驗證了該結構的安全性和可靠性。

由于不同艙段的直徑、長度、螺紋孔大小等接口尺寸有所變化，因此，針對不同的艙段，可以設計不同尺寸的轉接板、轉接梁、吊梁來滿足其起吊翻轉要求，但是結構均可借鑒。因此，該翻轉吊具的設計能夠滿足多數艙段的起吊、翻轉作業要求，對于同類吊具的設計具有參考和指導意義。