陳 霞 崔衛(wèi)國 范偉利 李 應(yīng) 李 青 劉慧芬 馮然然 黃汝哲

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發(fā)泡筒吊具結(jié)構(gòu)優(yōu)化及有限元分析

陳 霞 崔衛(wèi)國 范偉利 李 應(yīng) 李 青 劉慧芬 馮然然 黃汝哲

（山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，長治 046012）

針對(duì)傳統(tǒng)吊具在發(fā)泡筒吊裝轉(zhuǎn)運(yùn)過程中存在的安全隱患等問題，研制了一種發(fā)泡筒轉(zhuǎn)運(yùn)的專用吊具，并使用三維建模軟件優(yōu)化吊具模型，對(duì)吊具中的受力件進(jìn)行有限元分析。通過有限元分析結(jié)果和強(qiáng)度校核理論，對(duì)吊具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為今后專用吊具的研制提供了有價(jià)值的參考。

吊具；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；有限元分析

1 引言

在發(fā)射筒體的裝配過程中，發(fā)泡筒作為發(fā)射筒體的保溫層，它的起吊轉(zhuǎn)運(yùn)極為重要。傳統(tǒng)吊具常用的有普通鋼絲繩索具和吊具廠家提供的專用吊具兩種。普通鋼絲繩索具對(duì)鋼絲繩的要求極高，且安全系數(shù)低，在特定情況下才用于工件吊裝；吊具廠家提供的專用吊具可用于多件大批量工件的轉(zhuǎn)運(yùn)、吊裝，且吊具拆卸工作繁瑣。

本文針對(duì)發(fā)泡筒的使用狀態(tài)，對(duì)傳統(tǒng)吊具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制了一種新型的發(fā)泡筒專用吊具，并利用有限元分析軟件，對(duì)吊具的受力件進(jìn)行有限元分析，最終優(yōu)化了發(fā)泡筒吊具的結(jié)構(gòu)模型。

2 吊具結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的建立

2.1 吊具三維實(shí)體模型的建立

吊具結(jié)構(gòu)主要由鋼板組成，鋼板材質(zhì)為Q345A,吊具主要包括左吊桿、右吊桿、吊耳、撐桿和限位環(huán)組成。發(fā)泡筒吊具示意圖如圖1所示。

圖1 發(fā)泡筒吊具示意圖

從圖1可以看出，左吊桿、右吊桿位于吊耳的兩側(cè)，與吊耳使用銷軸固定連接，且結(jié)構(gòu)相同，均為厚度相同的薄板結(jié)構(gòu)；撐桿一端通過銷軸與右吊桿相連，一端與左吊桿上的限位環(huán)固定連接；吊具裝配時(shí)，先將左吊桿、右吊桿、吊耳使用銷軸裝配完畢，并將發(fā)泡筒夾緊后，再確定限位環(huán)在左吊桿上的焊接位置，發(fā)泡筒夾緊后，使撐桿的卡槽正好落入限位環(huán)內(nèi)。

2.2 關(guān)鍵受力件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)吊具的使用狀態(tài)，對(duì)吊具關(guān)鍵受力件左吊桿、右吊桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，右吊桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 右吊桿結(jié)構(gòu)示意圖

從圖2右吊桿結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，右吊桿吊鉤處圓心與吊桿中心線為33°，吊鉤中心距銷孔中心的垂直距離331mm，吊桿板厚10mm，材料為Q345A，與撐桿連接的銷孔直徑為10.5mm，兩銷孔的垂直距離146.5mm；左吊桿與右吊桿結(jié)構(gòu)相同，左吊桿不需加工與撐桿連接的銷孔。

圖3 吊耳結(jié)構(gòu)示意圖

從圖3吊耳結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，吊耳包括起吊孔和銷孔，吊具起吊時(shí)起吊孔與鋼絲繩索具相連，吊耳通過銷孔與左吊桿、右吊桿連接，左吊桿、右吊桿與吊耳對(duì)稱布置。

3 有限元分析

3.1 吊具的有限元分析

為了驗(yàn)證吊具的安全可靠性，利用有限元離散理論建立吊具及吊耳的有限元模型，再對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界條件，施加載荷，最后進(jìn)行有限元分析，得到改進(jìn)前吊具應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)前吊具應(yīng)力云圖

從圖4改進(jìn)前吊具應(yīng)力云圖可以看出，吊具的最大應(yīng)力為277.5MPa，最大應(yīng)力位于吊鉤與吊桿的連接處，吊具材料為Q345A，許用應(yīng)力為345MPa，安全系數(shù)為1.24，安全系數(shù)過低，不能滿足吊具的使用要求。通過有限元分析結(jié)果和強(qiáng)度校核理論調(diào)整了吊具結(jié)構(gòu)的外形尺寸，加大吊鉤與吊桿連接處的寬度，改進(jìn)后吊具應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后吊具應(yīng)力云圖

從圖5可以看出，最大應(yīng)力降至59.839MPa，安全系數(shù)5.8，改進(jìn)后的吊具結(jié)構(gòu)能滿足吊具的使用要求。

3.2 吊耳的有限元分析

吊耳作為吊具起吊時(shí)的關(guān)鍵受力件，它的結(jié)構(gòu)將直接影響吊具的安全性能和使用壽命，吊耳材料為Q345A，鋼板厚度為10mm，對(duì)銷孔施加4500N的載荷，通過對(duì)吊耳建立有限元模型，設(shè)置邊界條件，施加載荷，得到吊耳的有限元分析結(jié)果，吊耳應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 吊耳應(yīng)力云圖

從圖6可以看出，吊耳的最大應(yīng)力為19.142MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)位于銷孔周邊，安全系數(shù)為18.023，能滿足吊具的使用要求。

4 吊具加載試驗(yàn)

為了驗(yàn)證吊具結(jié)構(gòu)安全可靠性，對(duì)吊具做了靜載和動(dòng)載試驗(yàn)。

4.1 吊具靜載試驗(yàn)

使用吊具將發(fā)泡筒夾緊后，垂直提升至離地面約200mm高的位置，持續(xù)15min，然后把發(fā)泡筒平穩(wěn)地放置于存放區(qū)，將吊具拆卸后進(jìn)行檢查，并使用焊縫探傷工具檢查焊縫是否有裂紋和受力關(guān)鍵部位的變形情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，吊具未出現(xiàn)裂紋、永久變形，連接處未出現(xiàn)異常松動(dòng)或損壞，靜載試驗(yàn)合格。

4.2 吊具動(dòng)載試驗(yàn)

對(duì)吊具進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)，使用吊具以上升不大于3m/min、下降不大于2m/min的升降速度將發(fā)泡筒提升至離地面約為2.5～3m的高度，然后降至地面。在下降過程中制動(dòng)3次。上述試驗(yàn)過程重復(fù)3次。然后卸載，檢查吊具的焊縫、結(jié)構(gòu)變形和連接松動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，起吊翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)無松動(dòng)和損壞，各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到預(yù)期要求，動(dòng)載試驗(yàn)合格。

5 結(jié)束語

通過對(duì)傳統(tǒng)吊具和廠家外購吊具的不足之處進(jìn)行分析研究，針對(duì)發(fā)泡筒的使用狀態(tài)，設(shè)計(jì)出一套發(fā)泡筒專用吊具結(jié)構(gòu)，并使用有限元分析結(jié)果和強(qiáng)度校核理論，改進(jìn)吊具結(jié)構(gòu)的外形結(jié)構(gòu)，得到了吊具的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證吊具的安全可靠性和延長其使用壽命，對(duì)吊具進(jìn)行了靜載和動(dòng)載試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：吊具焊縫無裂紋且無永久變形，吊具結(jié)構(gòu)安全可靠。

1 龔曙光. Ansys工程應(yīng)用實(shí)例解析[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003

2 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002

3 高澤遠(yuǎn)，王金. 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)[M]. 沈陽：東北工學(xué)院出版社，1987

4 劉國慶，楊慶東. Ansys工程應(yīng)用教程[M]. 北京：中國鐵道出版社，2003

5 李兵，何正嘉，陳雪峰. ANSYSWorkbench 設(shè)計(jì)仿真與優(yōu)化[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2008

6 劉鴻文. 材料力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2004

Structure Optimization and Finite Element Analysis of Sling in Foam Barrel

Chen Xia Cui Weiguo Fan Weili Li Ying Li Qing Liu Huifen Feng Ranran Huang Ruzhe

(Shanxi spaceflight Qinghua Equipment Co., Ltd., Changzhi 046012)

Focusing on the security risks of loading of the traditional sling in the foam barrel, a special suspension was designed for the transfer. The crane model was optimized by three modeling software, and the finite element analysis of the force of the sling was carried out., The design of the sling was optimized on the basis of the finite element analysis results and strength theory, which provides valuable reference for the development of special cranes in the future.

sling；optimum structure；finite element analysis

陳霞(1985)，工程師，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)；研究方向：工藝裝備及非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究。

2017-11-27