航天火箭懸臂起重機新型組合式主梁的穩(wěn)定性研究

0 引言

航天火箭懸臂起重機作為火箭總裝與發(fā)射過程中的關(guān)鍵裝備，其安全性與可靠性的要求極高。隨著航天任務(wù)頻率增加和火箭尺寸的逐漸擴大，傳統(tǒng)的起重機主梁結(jié)構(gòu)難以滿足大型航天器的裝配需求，尤其在復(fù)雜氣象環(huán)境下，主梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性面臨嚴峻挑戰(zhàn)。目前主梁結(jié)構(gòu)的研究主要聚焦于主梁強度計算與疲勞分析，而對風(fēng)載荷影響與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究相對不足。因此，開展航天火箭懸臂起重機回轉(zhuǎn)式主梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化和穩(wěn)定性研究具有重要意義。

1傳統(tǒng)主梁結(jié)構(gòu)特點和存在的問題

1.1傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)式主梁結(jié)構(gòu)特點

傳統(tǒng)的航天火箭懸臂起重機回轉(zhuǎn)式主梁由主桿、斜撐桿、橫向連接桿等桿件使用角鋼焊接而成，各桿件之間通過焊縫形成剛性連接，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、連接點眾多[1]。這種焊接結(jié)構(gòu)長期承載后容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)裂紋與變形損傷。

1.2傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)式主梁存在的問題

主梁靜載試驗結(jié)果顯示，在50t標準載荷下，焊接點應(yīng)力集中系數(shù)達到2.8，超出設(shè)計允許范圍。主梁疲勞試驗表明，在交變載荷作用下，焊縫裂紋擴展速率為0.15mm/1000次循環(huán)，顯著高于母材開裂速率。主梁回轉(zhuǎn)試驗時因剛度不足，端部最大撓度達到 25mm ，超出規(guī)范限值。主梁風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)證實，在 45m/s 風(fēng)速條件下，其扭轉(zhuǎn)變形角度達到 0.7^° ，嚴重影響起重機的定位精度與工作穩(wěn)定性?，F(xiàn)場長期監(jiān)測顯示，使用3年后焊縫的開裂率高達 15% ，大幅降低了主梁的使用壽命、增加了安全風(fēng)險。

2優(yōu)化設(shè)計的新型組合式主梁結(jié)構(gòu)

2.1 主要組成

優(yōu)化設(shè)計的新型組合式主梁采用模塊化拼裝設(shè)計，其主要由底座、豎桿、撐桿、固定臺、定位塊、第一橫桿、第二橫桿等組成。新型組合式主梁結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1新型組合式主梁結(jié)構(gòu)示意

2.2組合方法

新型組合式主梁以兩個底座為基礎(chǔ)，每個底座頂面固定連接3根豎桿，豎桿頂端連接固定臺。固定臺的內(nèi)側(cè)設(shè)有3個定位槽，用于橫向支撐桿件的安裝定位。橫向支撐桿件包括1根第一橫桿和2根第二橫桿，通過定位塊與固定臺形成可靠連接。

定位塊采用雙向限位技術(shù)，其頂部與側(cè)面均設(shè)有螺栓孔，使用螺栓實現(xiàn)空間固定。第一撐桿與豎桿組成三角形支撐結(jié)構(gòu)；第二橫桿底部設(shè)有限位塊，與第二撐桿共同構(gòu)成空間桁架。所有受力桿件均為圓柱形截面，可有效降低迎風(fēng)面積。主梁回轉(zhuǎn)依靠雙軸電動機驅(qū)動系統(tǒng)，確保轉(zhuǎn)動過程平穩(wěn)可控。

3新型組合式主梁穩(wěn)定性實驗研究

3.1靜態(tài)承載性能測試

3.1.1測試方法

新型組合式主梁靜態(tài)承載性能測試采用分級加載方法。測試平臺由支撐架、連接架以及雙軸電動機組成。主梁兩端設(shè)置固定塊和連接螺栓構(gòu)成剛性支撐，加載位置選擇在主梁跨度1/2處，載荷分級為 25t 、35t以及45t，每級載荷持續(xù)30min。位移檢測點布置在主梁中央及 1/4 跨度處[2，使用高精度位移傳感器測試豎向撓度。應(yīng)變測試點位于定位塊與固定臺連接處以及橫桿交叉位置，應(yīng)變片采用 120Ω 電阻全橋式布置。

3.1.2測試結(jié)果

經(jīng)過梁靜態(tài)承載性能測試，其結(jié)果顯示：25t載荷下主梁中央撓度為 8.2mm ，定位塊與固定臺連接處最大應(yīng)變值為 235με 。當(dāng)載荷增至45t時，主梁撓度增至15.6mm ，橫向位移達到 3.2mm 。關(guān)鍵連接處的應(yīng)變值為382με 。測試數(shù)據(jù)均未超過設(shè)計限值。卸載后，主梁殘余變形小于 0.5mm ，位移-荷載曲線呈現(xiàn)良好的線性特征，殘余應(yīng)變測試證實螺栓連接處應(yīng)力釋放充分，結(jié)構(gòu)整體剛度滿足設(shè)計要求。

3.2動力響應(yīng)特性測試

新型組合式主梁動力響應(yīng)特性測試采用瞬態(tài)激勵法，在主梁不同位置布設(shè)加速度傳感器，激勵方式包括重錘沖擊以及電磁激振[3]。主梁自振頻率測試結(jié)果表明：第一階固有頻率為 2.86Hz ，對應(yīng)豎向彎曲振型；第二階固有頻率為 4.52Hz ，表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)振型；第三階固有頻率為 7.15Hz ，呈現(xiàn)橫向彎曲特征。

模態(tài)振型測量采用多點同步采集技術(shù)，主梁節(jié)點處振型位移規(guī)律與有限元分析結(jié)果吻合度達到 92% 。在額定起重質(zhì)量條件下進行動力響應(yīng)測試，主梁最大豎向加速度為 0.15g ，橫向加速度為 0.08g ，振動衰減迅速。沖擊響應(yīng)測試證實主梁在瞬時載荷作用下，可快速恢復(fù)平衡狀態(tài)，動態(tài)剛度滿足穩(wěn)定性要求。

3.3風(fēng)載荷作用機理分析

新型組合式主梁的風(fēng)載荷作用機理研究，采用數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗相結(jié)合的方法。風(fēng)洞試驗在大型回流式風(fēng)洞中進行，試驗段尺寸為 5m×3m ，來流速度范圍為10～60m/s ，主梁模型按1：10比例制作，表面布置32個壓力測點，通過電子掃描閥實現(xiàn)多點壓力采集。試驗工況包括 0^° 、 15^° 、 30^° 、 45^° 等4個來流攻角，測得雷諾數(shù)范圍為 1 . 2×1 0 ""5 "– 7 . 5 ×1 0 "5 "。

壓力系數(shù)分布測試結(jié)果顯示：圓柱形桿件在不同攻角下表現(xiàn)出優(yōu)異的氣動特性，最大負壓系數(shù)僅為-0.85 ，明顯低于矩形截面桿件；分離流區(qū)壓力脈動強度小，渦激共振頻率遠離結(jié)構(gòu)固有頻率。氣動力測試采用六分量天平，測得升力系數(shù)最大值為0.42，阻力系數(shù)為0.68，側(cè)向力系數(shù)為0.35。風(fēng)載荷頻譜分析表明，能量主要集中在低頻段，與結(jié)構(gòu)動力特性相匹配。

3.4結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能評估

基于實測數(shù)據(jù)建立空氣動力響應(yīng)模型，評估新型組合式主梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能。評估工況涵蓋工作風(fēng)速、極限風(fēng)速及臺風(fēng)工況，重點分析結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力分布和疲勞效應(yīng)[4]。評估結(jié)果顯示：風(fēng)速與結(jié)構(gòu)響應(yīng)呈現(xiàn)非線性關(guān)系，在 35m/s 工作風(fēng)速下，主梁最大橫向位移量為12.5mm ，扭轉(zhuǎn)角為 0.32^° ，位移幅值滿足規(guī)范要求；在極限風(fēng)速工況下，關(guān)鍵連接節(jié)點應(yīng)力水平控制在屈服強度的 65% 以內(nèi)，具有充足的承載儲備。

風(fēng)致振動響應(yīng)分析顯示，渦激振動幅值隨斯特勞哈爾數(shù)變化呈單峰分布，臨界風(fēng)速區(qū)間窄，振動易于控制。疲勞壽命評估采用應(yīng)力譜法，累積損傷計算結(jié)果表明主要構(gòu)件疲勞壽命超過20年。氣動彈性穩(wěn)定性分析證實，顫振臨界風(fēng)速高于 75m/s ，滿足抗風(fēng)設(shè)計要求，長期監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了主梁結(jié)構(gòu)在強風(fēng)條件下的可靠性。新型組合式主梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能測試結(jié)果如圖2所示。

圖2新型組合式主梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能測試結(jié)果

4 工程應(yīng)用驗證

4.1 安裝施工工藝

新型組合式主梁結(jié)構(gòu)采用分步安裝方法，重點控制施工工序和安裝精度。底座定位采用高精度全站儀測量放樣，調(diào)平精度控制在 0.05mm/m 內(nèi)。豎桿安裝配備專用吊裝機械，通過激光定位確保垂直度誤差小于 1/5000 。固定臺安裝之前，對定位槽進行精密加工，槽口尺寸誤差控制在 ±0.02mm 范圍。橫向構(gòu)件安裝采用同步提升技術(shù)，定位塊與固定臺的配合間隙控制在 0.05～0.08mm 。螺栓連接采用分級預(yù)緊方案，扭矩值分別為初緊 40% F復(fù)緊 70% 、終緊 100% ?；剞D(zhuǎn)系統(tǒng)調(diào)試采用低速→中速→高速遞進方案，實時監(jiān)測軸承溫度與振動特性。施工全程采用三維掃描技術(shù)進行實時監(jiān)測，確保各構(gòu)件安裝精度滿足設(shè)計要求。

4.2工程應(yīng)用效果

新型組合式主梁結(jié)構(gòu)在某航天火箭總裝廠房應(yīng)用12個月，完成火箭部段裝配任務(wù)524次，結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示整體工作狀態(tài)穩(wěn)定。定位精度測試采用三坐標測量系統(tǒng)，額定載荷下的位移誤差小于 2mm ，回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于 0.1^° 。結(jié)構(gòu)動態(tài)特性監(jiān)測顯示，在50次連續(xù)工作循環(huán)中，關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)變波動范圍為 ±85με ，低于設(shè)計限值。風(fēng)載作用下的橫向位移最大值為 8.6mm ，比設(shè)計值降低了 31% 。噪聲測試結(jié)果表明，回轉(zhuǎn)過程中最大噪聲值為72dB，比原結(jié)構(gòu)降低了15dB。能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，電動機工作效率提升了 28% ，運行成本顯著降低。維護記錄顯示，12個月內(nèi)更換零部件3次，維護時間比原結(jié)構(gòu)縮短了 65% 。新型組合式主梁結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的性能指標對比如表1所示。

表1主梁結(jié)構(gòu)性能指標對比分析

4.3結(jié)構(gòu)可靠性評價

新型組合式主梁結(jié)構(gòu)可靠性評價采用多層次評估方法。靜載可靠度分析顯示，主要承載構(gòu)件失效概率低于10^-6 ，安全儲備系數(shù)達到1.85?；趹?yīng)力-壽命法的疲勞可靠度評估表明，關(guān)鍵節(jié)點疲勞損傷值為0.42，低于臨界值0.67。動力可靠度分析采用隨機振動理論，計算得到可靠指標β值為3.86，滿足規(guī)范要求。系統(tǒng)可靠性分析采用故障樹方法，考慮構(gòu)件相關(guān)性后得到系統(tǒng)總體可靠度為0.9985。環(huán)境適應(yīng)性評價顯示，在 -40^°C～60^°C 溫度范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)性能參數(shù)波動小于 5% 。長期監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了該結(jié)構(gòu)在各種工況下均具有良好的可靠性[5]。

5新型組合式主梁的技術(shù)創(chuàng)新與優(yōu)化方法

5.1主梁結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計技術(shù)

新型組合式主梁結(jié)構(gòu)采用輕量化設(shè)計技術(shù)，選用高強度低密度合金鋼，其抗拉強度達到 650MPa ，密度降低了 15% 。通過拓撲優(yōu)化算法，主要構(gòu)件減小質(zhì)量 18.5% 整體結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量從32.6t降至26.8t。采用變剛度設(shè)計原理，在不同區(qū)域使用差異化壁厚，連接節(jié)點使用復(fù)合材料緩沖襯墊減少應(yīng)力傳遞，輕量化設(shè)計后固有頻率提高至 3.25Hz ，45t載荷下變形控制在設(shè)計范圍內(nèi)。風(fēng)載試驗顯示，結(jié)構(gòu)氣動特性改善，振動衰減速度提高了21.3% 。耐久性測試證明，10萬次循環(huán)無明顯疲勞。輕量化設(shè)計技術(shù)降低驅(qū)動功率 22% ，年節(jié)約成本15.6萬元，基礎(chǔ)造價降低 8.2% ，安裝周期縮短至32天。

5.2智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)集成

智能監(jiān)測系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)及數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)，采用分層分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，配置60個應(yīng)變傳感器、24個加速度傳感器以及16個位移傳感器，采樣頻率 2000Hz 通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至云平臺分析，監(jiān)測算法結(jié)合深度學(xué)習(xí)與物理模型，模態(tài)辨識精度達 95.3% ，可探測 2mm 裂紋并可提前72h預(yù)警故障。

智能控制系統(tǒng)包含智能驅(qū)動、自適應(yīng)阻尼、主動平衡3個子系統(tǒng)。智能驅(qū)動系統(tǒng)采用變頻技術(shù)，降低能耗28.6% 。自適應(yīng)阻尼系統(tǒng)基于磁流變技術(shù)抑制風(fēng)振。主動平衡系統(tǒng)控制誤差在 ±1.2% 內(nèi)。智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使主梁定位精度達到 ±1.2mm ，回轉(zhuǎn)精度達到 0.05^° ，干擾恢復(fù)時間減少了 56% ，可靠性達到 99.92% ，大幅提升了航天火箭裝配效率與安全性。

6結(jié)束語

新型組合式主梁結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性地采用圓柱形構(gòu)件設(shè)計與多點支撐技術(shù)，有效解決了傳統(tǒng)焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中問題。通過實驗研究與工程應(yīng)用驗證，該結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的靜態(tài)承載性能、動態(tài)響應(yīng)特性和抗風(fēng)性能，能夠滿足大型航天器的裝配需求。本研究的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在模塊化設(shè)計理念、結(jié)構(gòu)連接方式和維護便利性等方面。未來研究重點為關(guān)注開發(fā)基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)測系統(tǒng)，優(yōu)化主梁結(jié)構(gòu)動態(tài)補償控制策略，建立結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估和預(yù)警機制，為航天起重設(shè)備的智能化升級提供了技術(shù)支撐。

參考文獻

[1]陳思源，董建，遲曉東.架橋機主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與有限元分析[J].中國特種設(shè)備安全，2024，40（7）：30-36.

[2]管旭，張浩，沐春華.靜壓轉(zhuǎn)臺導(dǎo)軌油膜靜態(tài)性能分析與優(yōu)化[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2024（2）：18-23.

[3]徐齊云，谷曉雨，王正，等.瞬態(tài)激勵法動態(tài)測試重組竹彈性模量剪切模量和泊松比[J].林業(yè)工程學(xué)報，2023，8（5）：70-78.

[4]康維，鄧超，蔣友寶.某Z字形連廊結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能評估[J].建筑結(jié)構(gòu)，2023，53（15）：53-59.

[5]武相宇.概率統(tǒng)計方法的應(yīng)用案例解析[J].中國產(chǎn)經(jīng)，2021（12）：92-93.