李永鋒，吳戰(zhàn)國，周鈺富

LI Yong-feng, WU Zhan-guo, ZHOU Yu-fu

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201804）

1 工程概況

新建成的上海浦東國際機(jī)場飛機(jī)大修機(jī)庫，用于各種寬體機(jī)和窄體機(jī)的維修工作，其中，維修大型客機(jī)垂直尾翼的懸掛式尾塢是整個(gè)大修機(jī)庫的重要組成部分。懸掛式尾塢是一種懸掛在兩根平行工字鋼軌道梁上的飛機(jī)垂直尾翼接近架，軌道梁[1]懸掛在屋頂下，尾塢的兩端分別掛在兩側(cè)的軌道梁上，用于維修大型客機(jī)的垂直尾翼。一架客機(jī)垂直尾翼的維修，需要兩臺(tái)這樣的設(shè)備分別布置在垂直尾翼的兩側(cè)來完成維修工作（圖1）。

圖1 A330-300客機(jī)與尾塢示意圖

所設(shè)計(jì)尾塢主要針對的大型客機(jī)有：A330-300，A340-600，B787-8，B747-400，B767-300，MD11。對于小型客機(jī)尾翼的維修，一般來說不需要采用懸掛式尾塢，可運(yùn)用地面上的鋼平臺(tái)和輔助設(shè)備來進(jìn)行維修如圖1所示。

懸掛式尾塢主要由以下幾大部分組成：工作平臺(tái)，工作平臺(tái)兩側(cè)的懸掛框架，以及用于尾塢行走和升降的設(shè)備（軌道梁、行走小車等）。尾塢的設(shè)計(jì)過程中，主要的技術(shù)難點(diǎn)有：1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜：這類設(shè)備主要針對的是大型客機(jī)，所以跨度一般較大，而且尾塢結(jié)構(gòu)要和多種類型客機(jī)相匹配，所以巧妙設(shè)計(jì)尾塢的結(jié)構(gòu)是保證維修工作質(zhì)量的關(guān)鍵；2）同步性問題：工作平臺(tái)兩側(cè)要保證同步升降，整個(gè)尾塢的橫向移動(dòng)也要保證同步性，因工作平臺(tái)和懸掛框架不是剛性連接，加上整個(gè)尾塢的跨度大，以上兩類同步問題的有效解決對于懸掛式尾塢的安全運(yùn)行至關(guān)重要。限于篇幅，本文主要對懸掛式尾塢的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分作簡要介紹，并給出一些主要的計(jì)算結(jié)果，僅供參考。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在SolidWorks2007環(huán)境下進(jìn)行整個(gè)尾塢的實(shí)體建模，SolidWorks2007的結(jié)構(gòu)件建模功能極大地縮減了3D建模的工作量。模型主視圖如圖2所示。整個(gè)尾塢跨度16.2m，工作層面最大寬度4.34m，整個(gè)工作平臺(tái)高度9.12m，尾塢懸掛在距離地面高度為31m左右的軌道上。

2.1 工作平臺(tái)

所設(shè)計(jì)的尾塢要與多種寬體機(jī)和窄體機(jī)相匹配；另外，與A330-300，A340-600，B787-8，B747-400，B767-300等型號客機(jī)不同，MD11型客機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)的尾部位置，考慮到工作平臺(tái)與以上所有型號客機(jī)的合理匹配，要對工作平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行合理地布局與優(yōu)化，這要求在設(shè)計(jì)過程中，要建立相對精確的各型客機(jī)外形輪廓的3D模型。工作平臺(tái)主要由五個(gè)工作層面和兩側(cè)的升降軌道（H鋼）組成，每個(gè)工作層面接近垂直尾翼的一側(cè)設(shè)計(jì)成帶缺口的懸臂結(jié)構(gòu)，位于底部的兩個(gè)層面要加裝抽板組。平臺(tái)的每層都設(shè)置有一些扶手，保證工作人員的安全；相鄰的層面通過適當(dāng)?shù)闹渭附釉谝黄?，組成工作平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)的兩側(cè)再與升降軌道焊接成一體，即整個(gè)工作平臺(tái)如圖2所示。

圖2 尾塢3D模型示意圖

2.2 懸掛框架

圖3 懸掛框架下端示意圖

兩側(cè)的懸掛框架如圖2所示，承載著工作平臺(tái)和維修人員的重量，加之同步升降和同步水平行走的功能要求，對懸掛框架的結(jié)構(gòu)剛性要求較高。懸掛框架的下端嵌套在工作平臺(tái)的升降軌道里，其上端和單軌小車焊接，通過單軌小車懸掛在平行工字鋼軌道梁上。懸掛框架的兩側(cè)要設(shè)置幾組滾輪機(jī)構(gòu)如圖3所示，用作升降的導(dǎo)向裝置，滾輪和工作平臺(tái)兩側(cè)H鋼的腹板和翼緣接觸。兩側(cè)的懸掛框架下端都安裝有兩臺(tái)渦輪絲桿升降機(jī)和一臺(tái)升降電機(jī)，通過升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪絲桿升降機(jī)，使工作平臺(tái)同步升降工作；通過兩臺(tái)分別安裝在兩側(cè)懸掛框架頂端的橫向電機(jī)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)軌道梁上的單軌小車，整個(gè)尾塢沿著兩根平行軌道梁實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)行走。垂直升降和水平行走功能保證了尾塢對飛機(jī)垂直尾翼各個(gè)部位的維修。如圖4所示為設(shè)計(jì)中定做的單軌小車，如圖5所示為尾塢的吊裝現(xiàn)場。

圖4 單軌小車

圖5 尾塢吊裝現(xiàn)場

2.3 其他結(jié)構(gòu)和設(shè)備

主要是指樓梯，固定在懸掛框架上端的檢修架，以及軌道梁等如圖2所示，這些結(jié)構(gòu)和設(shè)備在設(shè)計(jì)中要參考相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，盡量降低結(jié)構(gòu)重量。由圖2知第一層和第二層的樓梯是懸挑在工作平臺(tái)的外側(cè)，最上層樓梯是整合在工作平臺(tái)內(nèi)部，這樣便于調(diào)節(jié)整個(gè)尾塢重心的平衡。

3 主要計(jì)算結(jié)果

3.1 載荷工況

由于工作平臺(tái)的升降和水平移動(dòng)工作的頻率不是很高，所以主要考慮靜載作用下的內(nèi)力與變形。結(jié)構(gòu)承受的靜載有：工作載重和尾塢自重。整個(gè)懸掛尾塢自重約為16t，工作載重主要是維修人員的重量。

3.2 軌道梁型號的選取與驗(yàn)算

軌道梁按承重約為20t的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)，軌道梁跨度6m；定制的單軌行走小車總長4m，4組車輪（圖4）；選取型號為I45b的兩等跨熱軋工字鋼作為軌道梁，工字鋼材料為Q345。對梁的強(qiáng)度、撓度、穩(wěn)定性，以及局部應(yīng)力和折算應(yīng)力的驗(yàn)算[2,3]，驗(yàn)算結(jié)果均滿足以上各項(xiàng)指標(biāo)，證明所選型號的軌道梁滿足使用要求。圖6所示為軌道梁安裝完畢后的情形。

3.3 工作平臺(tái)骨架的有限元分析

圖6 安裝好的兩等跨軌道梁

在尾塢的設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用ANSYS對工作平臺(tái)骨架進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析。在有限元模型的建立過程中，因?yàn)樵贏NSYS環(huán)境下直接建立線框模型比較繁瑣，在此是先在SolidWorks里以毫米為單位建立3D線框模型，然后保存為IGES格式文件，最后在ANSYS里導(dǎo)入該IGES格式文件，進(jìn)行有限元模型的創(chuàng)建。指定單元類型為beam188并定義材料（Q235）的材料特性為線性各向同性材料，設(shè)置彈性模量為2.06E5，泊松比為0.3，材料密度為7.85E-9，接著創(chuàng)建梁的截面類型，梁的截面類型與規(guī)格有：1）方管：60x60x4，2）方管：120x120x4，3）矩管：60x120x4，4）矩管：100x50x3，5）H鋼：400x200，6）槽鋼：14，7）槽鋼：12.6，8）槽鋼：6.3，9）C型鋼：100x50x4，10）Z型鋼：204x25x4（用作樓梯踏板）。為每條線段指定截面類型并劃分網(wǎng)格，所得有限元分析模型如圖7所示。

圖7 工作平臺(tái)骨架有限元模型

約束條件：將工作平臺(tái)骨架兩端表示槽鋼C14的線條設(shè)置為固定約束（規(guī)格為C14的槽鋼用于固定絲桿底座，相當(dāng)于整個(gè)尾塢的固定支撐），然后將兩側(cè)H鋼頂端節(jié)點(diǎn)的除Y方向的自由度UY外其余5個(gè)自由度都設(shè)置為0，如圖8所示。

施加載荷：所施加的載荷包括維修人員的體重和尾塢自重，其中維修人員體重是按750N的力施加在工作平臺(tái)骨架每層的受力敏感部位，每層施加3～5個(gè)力；尾塢自重是設(shè)置Y向重力加速度值為9810（重力加速度值大小為9.81m/s2，在此以mm為單位進(jìn)行換算得到），如圖8所示。有限元分析的結(jié)果如圖9～圖13所示。

圖8 約束和載荷施加示意圖

圖9 當(dāng)量節(jié)點(diǎn)位移云圖

圖10 Y向節(jié)點(diǎn)位移云圖

圖11 當(dāng)量單元應(yīng)力云圖

圖12 最大單元應(yīng)力位置示意圖

圖13 最大單元應(yīng)力處X向節(jié)點(diǎn)位移云圖

由圖9和圖10知道最大當(dāng)量節(jié)點(diǎn)位移為7.344mm，節(jié)點(diǎn)沿Y向下降的最大位移為6.22mm，這說明節(jié)點(diǎn)位移很小，并且這些節(jié)點(diǎn)位移在相當(dāng)程度上是由工作平臺(tái)骨架自重造成的。由圖11知最大當(dāng)量單元應(yīng)力值為33.318MPa<[σ]= σs/ns=230/2=115 MPa（ns為安全系數(shù)），所以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1） 在尾塢這類大跨度鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，由于生產(chǎn)地同最后的組裝調(diào)試地不同，考慮設(shè)備的運(yùn)輸問題，在生產(chǎn)地分別將每層結(jié)構(gòu)制作好后，再運(yùn)輸?shù)綑C(jī)庫場地進(jìn)行組裝，然后吊裝，最后是調(diào)試運(yùn)行。

2） 選用材料為Q235的同型號軌道梁經(jīng)驗(yàn)算也是滿足設(shè)計(jì)要求的，但是對于懸掛額定重量在10t以上的軌道梁來說，為了更好的滿足局部應(yīng)力和折算應(yīng)力驗(yàn)算要求，一般將梁的材料選為Q345或更高等級。

3） 所設(shè)計(jì)的尾塢經(jīng)吊裝后調(diào)試運(yùn)行，工作狀態(tài)良好，穩(wěn)定可靠，能很好地滿足對A330-300，A340-600，B787-8，B747-400，B767-300，MD11等類型客機(jī)的維修要求。

[1]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》編輯委員會(huì).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊[M].第三版,北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[2]許朝銓.懸掛運(yùn)輸設(shè)備與軋道設(shè)計(jì)手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[3]06CG08.國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集[S].