某飛行器通用包裝箱結構設計研究

潘陽，李磊，趙志光

某飛行器通用包裝箱結構設計研究

潘陽，李磊，趙志光

（北京航天長征飛行器研究所，北京 100076）

針對每種飛行器都需要設計專用的包裝箱現狀，設計一種新型通用化的包裝箱，滿足運輸與起吊要求，可適應多種飛行器的使用。根據設計要求進行了包裝箱的結構設計，利用有限元分析方法與工程算法對運輸工況、起吊工況進行分析，并進行可靠性、安全性、維修性和保障性分析。得到了在運輸與起吊最大質量產品工況下，包裝箱鋼骨架的最大應力分別為166 MPa和215 MPa，小于材料的屈服強度，滿足強度要求，且具備較高的可靠性、安全性、維修性和保障性。包裝箱結構設計滿足設計要求，可用于多種尺寸的飛行器運輸，降低了設計成本。

包裝箱；結構；通用

某飛行器包裝箱主要用于產品的貯存與運輸，具有一定的密閉保護作用[1]。包裝箱主要根據產品外形尺寸、結構特點、裝卸要求、使用條件等進行設計[2]。一般來說一種包裝箱對應一種飛行器，導致包裝箱種類繁多，每次均需要從零部件開始進行重復設計與生產，設計與生產成本較高。基于此，本文設計一種通用金屬包裝箱，能適應包絡不超過900 mm×2 480 mm，質量不大于1 500 kg的多種外形尺寸的飛行器。

1 包裝箱設計要求

包裝箱的設計要具備防護功能，實現防雨、防潮、防塵等功能[3-7]。包裝箱應具有足夠的強度與剛度，可適應多次使用、長時間運輸，滿足鐵路運輸安全要求[8]。產品在包裝箱內水平放置、水平運輸。產品在包裝箱內要固定得可靠牢固，避免產品在運輸過程中出現位移及損壞。包裝箱上應留有叉車操作與起吊的接口。內裝產品外形尺寸不超過900 mm×2 480 mm，質量不大于1 500 kg。

2 結構設計

2.1 整體設計

包裝箱主體結構的材質主要有木質、金屬、玻璃鋼3種。木質包裝箱成本低、加工周期短，但不耐用、易受潮，多用于臨時周轉。玻璃鋼包裝箱結構輕，可具備保溫功能，但成本較高，多用于對功能有一定要求的產品。本設計選用金屬包裝箱，具備易加工、耐用、承力高的特點[9]。

對箱體進行整體性設計，采用金屬框架、包覆蒙皮焊接成型結構。要求產品水平放置，為方便產品出入箱，采用上下箱開合模式。在包裝箱底部設置叉車接口，并設置上、下箱起吊環，上箱起吊環用于起吊上箱體，下箱起吊環用于起吊整箱。包裝箱整體如圖1所示，經計算，總質量在700 kg內。

圖1 包裝箱整體示意圖

包裝箱上箱體采用無堆垛設計，C型框與蒙皮焊接提高了上箱強度同時增強了箱體整體性，端面設置不銹鋼把手方便上下箱開合過程的對正調整。

2.2 下箱體設計

包裝箱下箱體由金屬框架、蒙皮、下箱起吊環、導向塊、接線柱、搭扣等部分構成，如圖2所示。上、下箱采用具有調節松緊功能的不銹鋼搭扣進行緊固連接，開啟閉合上箱操作方便快捷?？诳騼葌仍O置4個導向塊，用于上、下箱合箱時，對上箱進行導向，保證上、下箱結構對正，確保密封性。

金屬框架為主要承力組件，金屬框架采用成本低、質量穩定的型材焊接而成。支撐組件與金屬框架采用螺栓連接，連接板上每隔100 mm設置2個螺紋孔，用以連接支撐組件，實現支撐組件軸向的可移動，如圖3所示。

上下箱體對接處采用矩形鋼焊接口框結構，口框間設置密封襯墊，通過內側金屬凸臺的結構提升密封性，密封結構如圖4所示。金屬凸臺分別焊接在上下箱體的口框上，密封襯墊鉚接在下箱體的口框與金屬凸臺上。

圖2 包裝箱下箱體示意圖

圖3 包裝箱金屬骨架示意圖

圖4 密封結構

2.3 支撐組件設計

為滿足不同外形尺寸的產品使用，共設計3種規模的支撐組件，分別為前支撐組件、中支撐組件、后支撐組件，如圖5所示。具體尺寸如表1所示。卡箍寬度設計為80 mm，卡箍截面角度為10°，卡箍內側與產品接觸的毛氈厚度為10 mm，以貼合不同尺寸的產品?？ü砍叽缭O計為劣弧，以適應不同的直徑尺寸的產品?；罟澛菟ㄩL度為310 mm，以保證210 mm的調節范圍。

圖5 支撐組件示意圖

表1 支撐組件規模統計表

Tab.1 Statistics of support assembly scale

支撐組件的安裝采用4個M12連接螺栓與底部連接板連接，螺栓孔間距為100 mm，與連接板上的螺紋孔間距一致。支撐組件的軸向可調節，最小調節量為100 mm。前支撐組件、中支撐組件的高度調節采用2個M20的調節螺栓連接到支撐組件上不同的孔來調節，共有3個可調節的位置，如圖6所示。

圖6 支撐組件高度調節方式

2.4 后擋組件設計

后擋組件如圖7所示，后擋板高為70 mm、寬為200 mm。后擋組件的軸向位置除了可利用每隔100 mm的連接板調整外，還可利用手輪進行調整，調整范圍為0～35 mm，后擋板的高度位置可通過調節螺栓安裝在長圓孔處的不同位置調節，調節范圍為0～50 mm（后擋板上表面到底部連接板高度范圍為155～205 mm）。

圖7 后擋組件示意圖

2.5 使用方法

使用時，根據產品的外形尺寸及可支撐位置，選取2種規模的支撐組件，將支撐組件及后擋組件固定在底部連接板上，盡量保證放入產品后包裝箱的質心在箱體的中心。調節支撐組件的上下高度，保證產品的水平放置，并保證后擋板能貼緊產品底部。擰緊活節螺栓處的螺母，保證上下卡箍的中間位置與產品緊密貼合，產品固定牢靠。

2.6 方案優劣

本方案與傳統的飛行器包裝箱相比，主要優勢如下：

1）通過支撐組件的組合選用可適用于多種飛行器，調整方便快捷。

2）箱體具有通用屬性，除了可用于回轉體的飛行器，還可通過新設計支撐組件適用于異形體飛行器。

3）整體設計及加工成本較低。

缺點主要是需要使用人員根據飛行器尺寸大小選用支撐組件，需要提前進行學習。包裝箱交付時配備了詳細的使用說明書供使用人員學習，易學易用。

3 強度分析

3.1 運輸工況

包裝箱在運輸過程中，運輸工具的啟動、急剎車等會對包裝箱產生沖擊[10-12]。包裝箱的2組支撐組件和后擋組件共同承受產品運輸過程中的慣性力，前卡箍可防止產品前竄上跳側滑，后卡箍和后擋板可防止產品后竄上跳側滑。以下箱體金屬框架為主承力結構，強度計算過程中約束下箱體底部向下的位移，同時固定4個下箱起吊環，按照同時施加縱向過載1.27，橫向過載0.29，垂直（向上）過載0.5[13-14]，框架自身施加箱體質量力，對下箱體金屬框架、支撐組件、后擋組件開展計算。按照所裝最大質量1 500 kg進行計算，支撐組件及后擋分別處于最靠前和最靠后的位置。

下箱金屬框架材料為Q235A鋼，屈服強度s=235 MPa，強度極限b=375 MPa。支撐組件、下箱起吊環等材料為20#鋼，屈服強度s=245 MPa，強度極限b=410 MPa?；罟澛菟ú牧蠟?5#鋼，屈服強度s=352 MPa，強度極限b=600 MPa。

經過有限元仿真計算，下箱體金屬框架應力云圖如圖8所示，變形云圖如圖9所示。最大應力為166.2 MPa，低于材料的屈服強度[15]，變形量為3.11 mm，滿足鐵路運輸強度要求。

前支撐組件應力云圖如圖10所示，最大應力為15.4 MPa，低于材料的屈服強度，滿足鐵路運輸強度要求。

圖8 箱體骨架應力云圖

后支撐組件應力云圖如圖11所示，最大應力為20.7 MPa，低于材料的屈服強度，滿足鐵路運輸強度要求。

后擋組件應力云圖如圖12所示，最大應力為8.2 MPa，低于材料的屈服強度，滿足鐵路運輸強度要求。

圖12 后擋應力云圖

卡箍與支撐弧托連接的活節螺栓需要承受產品縱向和橫向慣性力產生的剪力，按照產品質量為1 500 kg，采用4個材料為45#鋼的M20粗牙（有效截面面積為265.2 mm2）活節螺栓連接。當承受縱向1.27、橫向0.29的過載時，按照50%的受力進行計算，單個活節螺栓受到的剪應力見式（1）。

單個活節螺栓受到的拉應力按垂向0.5（含自質量）計算，產品質量為1 500 kg，按照50%的受力進行計算，單個活節螺栓受到的拉應力見式（2）。

合成最大應力為：

式中：為單個活節螺栓受到的剪應力，MPa；為單個活節螺栓受到的拉應力，MPa；為產品質量，kg；為單個活節螺栓截面面積，mm2；為活節螺栓個數。

綜上，活節螺栓的最大應力為73.52 MPa，低于材料的屈服強度，滿足鐵路運輸強度要求。

3.2 起吊工況

包裝箱在起吊過程中，下箱體金屬框架為主承力結構。強度計算過程中固定4個下箱體起吊環，起吊工況安全系數取2，動荷系數取1.2，對下箱體金屬框架、支撐組件、后擋組件開展計算。

經過有限元仿真計算，下箱體金屬框架應力云圖如圖13所示，變形云圖如圖14所示。最大應力為214.7 MPa，低于材料的屈服強度，變形量為4.22 mm，滿足起吊強度要求。起吊工況中，金屬框架應力較大，支撐組件、后擋應力較小。

圖13 箱體骨架應力云圖

圖14 箱體骨架位移云圖

4 設計分析

4.1 可靠性分析

1）包裝箱采用成熟的結構形式、通用的金屬材料、穩定可靠的制造工藝，保證其具有較高的可靠性。

2）原材料的選用品種少，貨源充足。

3）包裝箱表面經涂漆或鍍層保護，具有多重耐潮、防銹防護，經久耐用可靠性高。

4）毛氈制品經防腐、防潮、防蟲處理后，耐用、可靠性高。

5）包裝箱能叉運、可起吊，能適應運輸工況。

4.2 安全性分析

1）外露零部組件的銳角、凸出部和銳邊等相關部位全部經過倒圓、倒角或打鈍銳邊處理，防止對操作人員造成磕碰損傷。

2）卡箍與內部產品之間黏接有毛氈，使用時對產品起到緩沖保護作用。

3）活動部位有鎖緊、防松措施，確保使用安全牢靠。

4）包裝箱不屬于易燃、易爆、有毒產品，因而在使用、運輸和貯存過程中不存在安全性問題。

4.3 維修性分析

1）包裝箱的零部組件之間的連接以焊接與螺接為主。前者可靠性高，正常使用狀態下無需維修；后者安裝拆卸方便快捷，便于維修更換。

2）標準化程度高，便于設備的快速換件與拆裝修理。

3）黏接毛氈的橡膠液可市購，毛氈更換操作簡單，方便更換及維修。

4）對零部件的結構形式采用可拆裝形式，并在其周圍留有足夠的空間，便于操作更換，提高包裝箱的維修性。

4.4 保障性分析

1）包裝箱的使用說明中詳細規定了操作規程和注意事項、運輸要求和裝箱要求，以保證使用、運輸的安全。

2）包裝箱的使用與維護過程無復雜操作，所需保障的技術人員和操作人員均可通過簡單培訓達到實際技能需求。

3）包裝箱的維護無需專用工具，使用過程中所需的扳手等通用工具均為貨源充足的標準市購件，自身無需維修和自檢。

5 實物驗證

包裝箱設計完成后，按照圖紙進行了生產加工。生產過程中，未使用特殊工藝，加工時間較短、成本較低。加工完成后，開展了動、靜載荷試驗與接口匹配試驗。

靜載荷試驗載荷為額定載荷的1.3倍，吊離地面0.2 m，停留20 min。動載荷試驗載荷為額定載荷的1.1倍，吊離地面0.2 m，水平移動5 m，行走3次；垂直吊離地面2.5～3 m的高度，下降過程中制動3次。箱體未出現塑形變形與裂紋，試驗通過。

接口匹配試驗是將各尺寸產品裝入包裝箱內，檢查固定情況。試驗表明各尺寸產品均能被固緊，使用方便。實物驗證如圖15所示。

圖15 實物驗證

6 結語

采用通用化、組合化的設計思路對飛行器的包裝箱進行設計，從方案設計、選用材料、維護保障等方面降低了成本。利用有限元分析方法對運輸工況、起吊工況進行了分析，滿足強度要求。設計完成后進行了實物驗證，滿足設計指標要求。該包裝箱的設計使單一包裝箱的適用范圍更大，降低了設計成本，具有較大的應用前景。

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Structural Design of General Packaging Box for Vehicle

PAN Yang, LI Lei, ZHAO Zhi-guang

(Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing 100076, China)

In view of the current situation that each type of vehicle requires a dedicated packaging box, the work aims to design a new type of general packaging box that can meet the transportation and lifting requirements and adapt to a variety of vehicles. The structure of the packaging box was designed according to the design requirements. The transportation and lifting conditions were analyzed with finite element analysis methods and engineering algorithms and the reliability, safety, maintainability and supportability were analyzed. It was obtained that the maximum stress of the steel skeleton of packaging box was 166 MPa and 215 MPa under the condition of transporting and lifting the product of the maximum mass, which was smaller than the yield strength of the material, meeting the strength requirements and ensuring high reliability, safety, maintainability, and supportability. This structural design of packaging box meets the design requirements and the packaging box can be used for transportation of vehicles of different sizes with lower design costs.

packaging box; structure; general

TB485.3；V554

A

1001-3563(2023)23-0315-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.23.038

2023-05-11

責任編輯：曾鈺嬋