異形筒段吊具的設計與優化

山西航天清華裝備有限責任公司 山西長治 046000

1 設計背景

在航天產品總裝生產線上,常常需要借助吊具來滿足裝配需求。對于形狀規則的產品,吊具設計相對簡單,有時采用車間吊帶即可實現起吊。而對于異形筒段或者其它形狀復雜的產品,設計一種專用的吊具顯得尤為重要。

筆者以某型號產品異形筒段為適用對象,設計了一種新型吊具,并借助有限元分析軟件,研究吊梁在最大起吊載荷下的結構強度和剛度,對吊梁進行拓撲優化,得到優化后的吊具結構。

2 吊具結構

應用Unigraphics軟件建立了所設計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,可以實現快速拆裝,滿足運輸要求。吊裝時,上端吊帶直接與吊車吊鉤連接,下端吊帶通過起吊組件連接至異形筒段吊點上。

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。在起吊板左右兩側各設計有四個直徑為30 mm的孔,用于吊裝時調節質心。

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,堵板上開槽,并加工銷孔安裝銷軸,通過吊帶、起吊組件等與異形筒段吊點實現連接。前吊梁結構與后吊梁相似,為了使吊具自身質心和起吊時整體質心相重合,將后吊梁中的圓鋼管換為圓鋼,其余結構均相同。

圖1 異形筒段吊具三維模型

吊梁作為整套吊具的關鍵部件,其結構直接關系到起吊安全和使用壽命,因此,有必要對吊梁進行有限元分析和優化設計。

3 有限元分析

為了驗證異形筒段吊具的安全可靠性,筆者對吊具吊梁的受力情況進行有限元分析。將吊梁的三維模型導入ANSYS Workbench軟件,對其進行網格劃分,施加載荷和邊界條件,最終得到有限元分析結果。

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量為900 kg,因此Fz為9 000 N。前吊梁距離起吊點340 mm,后吊梁距離起吊點820 mm。Fq為前吊梁受力,Fh為后吊梁受力。起吊點即為異形筒段與吊梁的合質心位置。

圖2 主吊梁受力分析

根據力矩平衡原理[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,對于前吊梁而言,其受到豎直向上的合力為6 362 N,單側受力為3 181 N;對于后吊梁而言,其受到豎直向上的合力為2 638 N,單側受力為1 319 N。

由于異形筒段吊點的位置不同,實際使用時,前吊梁和后吊梁下端銷軸的受力情況也不一樣。吊梁力學三角形如圖3所示。Fy1為前吊梁下端銷軸處所受豎直方向的分力,Fx1為前吊梁下端銷軸處所受水平方向的分力,F1為前吊梁下端銷軸處所受合力,由此可知,前吊梁單側銷軸所受合力為3 290 N。Fy2為后吊梁下端銷軸處所受豎直方向的分力,Fx2為后吊梁下端銷軸處所受水平方向的分力,F2為后吊梁下端銷軸處所受合力。由此可知,后吊梁單側銷軸所受合力為1 428 N。

圖3 吊梁力學三角形

采用網格自動劃分法,對吊梁模型進行網格劃分[2-5]。吊梁網格劃分結果如圖4所示,節點數為141 154,單元數為77 892。

圖4 吊梁網格劃分結果

通過對吊梁施加相應的載荷和約束條件,求解得到吊梁的最大應力值為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,安全因數為2.48,安全因數大,存在優化的空間。

圖5 吊梁應力云圖

圖6 吊梁變形云圖

4 拓撲優化

為實現異形筒段吊具的輕量化設計,選擇采用拓撲優化技術[6],對異形筒段吊具吊梁進行優化,既要使吊梁的整體結構強度滿足要求,又要減輕質量。

進入ANSYS Workbench軟件Shape Optimization模塊進行優化設計,將輕量化目標設置為40%,得到吊梁的拓撲優化結果,如圖7所示。

圖7 吊梁拓撲優化結果

圖7中,灰色區域為保留區域,紅色區域為去除區域。可以看出,前、后吊梁的去除區域要遠大于主吊梁的去除區域。因此,考慮將前、后吊梁所用材料的尺寸縮小,為實現整體比例協調,同時將主吊梁所用材料的尺寸也適當縮小。

依據優化結果,對吊梁三維模型進行修改。優化后吊梁模型如圖8所示。優化后,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,吊梁質量為238.3 kg。

圖8 優化后吊梁模型

對優化后的吊梁模型進行網格劃分,節點數為148 183,單元數為76 494,施加同樣的載荷和邊界條件后，再次進行有限元分析。優化后吊梁應力云圖如圖9所示,最大應力值為247.26 MPa。優化后變形云圖如圖10所示,最大變形量為11.9 mm。優化后安全因數為1.4,滿足使用要求。

圖9 優化后吊梁應力云圖

5 結束語

筆者設計了一種易拆裝、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構強度和剛度。為實現輕量化設計,對吊梁進行了拓撲優化,最終得到優化后的吊具結構。

圖10 優化后吊梁變形云圖

經分析,優化后的異形筒段吊具體積減小，質量減輕,結構強度依然滿足使用要求。最終優化得到的異形筒段吊具，不僅外觀美觀,而且降低了生產成本[7-10],滿足精益生產要求,符合未來吊具設計的發展趨勢。