舱段翻转吊具的设计及分析

刘慧芬，张晓强，郭瑞斌，崔卫国，牛永进，邱红亮

（山西航天清华装备有限责任公司 技术中心，山西 长治 046000）

0 引言

在某航天产品的总装过程中，各舱段作为其主要部件，它的起吊、翻转尤为重要。以往的起吊、翻转吊具常常需要设计两根吊梁，分别通过吊带、卸扣、转接件等与舱段的前后端框连接，起吊、翻转时需要借助两台天车进行吊装，使用过程繁琐，对天车工的操作要求高，且整个翻转过程受人为影响较大，存在一定的安全隐患。

本文以某舱段作为研究对象，对其起吊及翻转状态进行研究，设计出一种单梁起吊翻转吊具，并借助有限元分析软件对该吊具的关键零部件进行受力分析，最终得到优化后的吊具模型。

1 吊具结构优化模型的建立

1.1 吊具三维模型的建立

根据要求，舱段翻转时只能使用一台吊车进行翻转，因此，翻转点需与产品质心重合或在产品质心上方才能实现翻转。舱段总重789kg，总长613mm，质心在距离前端215mm的位置，且该舱段后端框有交错布置的通孔，前端框没有。因此，需要借用后端框上的通孔将起吊点调整到产品质心位置上。

通过UG软件建模得到该舱段反转吊具的三维模型，如图1所示。该吊具主要由三角形吊梁、转接梁、卡箍、转接板、起吊组件、吊带等组成。

从图1可以看出，在卡箍的两侧焊接螺杆用于与转接梁连接，转接板一侧为弧形结构用于与产品连接，另一侧为螺杆，用于与转接梁连接，而转接梁上焊接有起吊轴，用于与起吊组件连接，起吊组件通过吊带、卸扣与吊梁连接，实现起吊。

1.2 三角形吊梁的结构设计

吊梁作为整套吊具的核心部件，其结构好坏直接关系到起吊的安全性和吊具的使用寿命。根据实际受力情况，设计出的三角形吊梁结构示意图见图2。三角形吊梁由横梁、连接板、销轴、卸扣、吊带组成。横梁与连接板通过销轴连接，连接板通过卸扣与吊带连接。卸扣采用巨力 S-BW0.75-3／8型卸扣，额定载荷为0.75t。横梁由一根长度为928mm、材料为Q345A的Φ42×3的圆钢管与两个堵头焊接而成。该吊梁重量为5.5kg，且在该横梁上开有三组销孔，用于满足其余各舱段的起吊、翻转要求。

图1 某舱段翻转吊具结构示意图

图2 三角形吊梁结构示意图

1.3 转接板的结构设计

转接板为一体加工件，用于连接舱段后端框和转接梁，由弧板和连接轴组成。弧板上6个位置打孔用于与后端框上的6个M6螺纹孔连接，连接轴为台阶轴，通过垫圈、螺母与转接梁相连。转接板结构示意图见图3。

现对后端框上的6个螺纹孔的受力情况进行分析。使用时，每组螺栓承受6 000N的剪切力。假定每个螺栓各承受1 000N的剪力，乘以1.25倍动载系数，按每个螺栓承受1 250N的剪力进行计算。

图3 转接板结构示意图

根据文献［1］，剪应力τ（Pa）由下式计算：

其中：Q为剪力，Q＝1 250N；A 为剪切面积，A＝πd2／4＝28mm2＝28×10－6m2。计算可得：τ＝44.6MPa。

产品材料为铝合金2A14，该材料规定非比例伸长应力为295MPa［2－3］，其许用剪切应力τp＝295／2＝147.5MPa。由此可得安全系数n＝τp／τ＝3.3，满足要求。

1.4 起吊组件的结构设计

起吊组件结构如图4所示，它由起吊板、挡环、蝶形螺栓、回转轴组成。起吊板上开有的Φ14小孔为起吊孔，通过卸扣、吊带与吊梁连接。其上开有的Φ30、Φ20连通孔，用于与转接梁上的起吊轴相连。起吊时，需将挡环安装到位，以免翻转时发生危险。

2 有限元分析

为了验证吊具的安全可靠性，采用ANSYS Workbench对吊具关键零组件进行了有限元分析［4－5］。通过有限元离散理论建立其有限元模型，再对其进行网格划分、边界条件设置、载荷施加，最后对其进行有限元分析。

2.1 三角形吊梁横梁有限元分析

为使计算结果更接近真实状态，现将该横梁结构简化等效为一半梁，进行强度分析和稳定性分析。

该三角形吊梁两吊带间夹角为60°，该舱段重789 kg，以该横梁一侧销轴为受力点进行受力分析，力学原理如图5所示。

由图5可知，该横梁只受沿杆方向的2 280N的压力，不受弯矩。通过在横梁切断处截面上棱线处加载固定约束，在另一端远端销孔位置施加Y方向的2 280N的载荷，得到有限元分析结果，其应力云图如图6所示。

从图6可以看出，该吊梁的最大应力值为13.49 MPa，最大应力在横梁截面变化最大的位置。钢管选用材料为Q345B，屈服极限为345MPa，则安全系数为25，满足使用要求。

图4 起吊组件结构示意图

图5 横梁力学原理

图6 横梁应力云图

由于该横梁在使用过程中只受沿杆方向的压力，因此，需要对该横梁进行稳定性分析。在横梁一端施加固定约束，另一端远端销孔处施加任意大小（此处为1N）的力，稳定性计算结果如图7所示。由图7可知，临界压力Pcr＝77 811N＝77.811kN，而实际施加压力为2.28kN，安全系数为34，符合使用要求。

图7 横梁稳定性分析结果

2.2 转接板有限元分析

转接板作为吊具起吊时的关键受力件，它的结构将直接影响吊具的安全性能和使用寿命。根据力矩平衡原理，可计算出转接板连接轴处所受的载荷F＝1 384N。因此，在转接板的6个螺纹孔处施加固定约束，在销轴处Φ20圆柱面上施加Y方向的1 384N载荷。转接板施加约束和载荷位置如图8所示，分析得到转接板的应力和变形云图，如图9和图10所示。

从图9可以看出，该转接件的最大应力值为42.46MPa，最大应力在横梁截面变化最大的位置。该转接件选用材料为45钢，经调质处理后屈服极限为430MPa，安全系数为10.1，满足要求。

图8 转接板约束和载荷施加

图9 转接板应力云图

图10 转接板总变形云图

从图10可以看出，该转接板最大变形值为0.036 mm，可忽略不计。

2.3 起吊板有限元分析

该起吊板是整个吊具的主要承力件，上方小孔通过卸扣、吊带与吊梁连接，下方大孔通过转接梁、转接板与产品连接。

通过分析，该起吊板承受的力F＝G舱段／2＝3 945 N。因此，在起吊板的安装卸扣孔处施加固定约束，在下方Φ20圆柱面上施加Y方向的3 945N的载荷，如图11所示。分析得到的起吊板应力云图如图12所示。

图11 起吊板约束和载荷施加

图12 起吊板应力云图

从图12可以看出，该起吊板的最大应力值为55.2 MPa，最大应力在横梁截面变化最大的位置。起吊板选用材料为Q345A，屈服极限为345MPa，安全系数为6.25，满足要求。

3 结语

通过对某型号产品舱段的起吊、翻转方法进行分析研究，设计出一套结构简单、轻便、易拆装、使用方便的吊具，并经过有限元分析计算，验证了该结构的安全性和可靠性。

由于不同舱段的直径、长度、螺纹孔大小等接口尺寸有所变化，因此，针对不同的舱段，可以设计不同尺寸的转接板、转接梁、吊梁来满足其起吊翻转要求，但是结构均可借鉴。因此，该翻转吊具的设计能够满足多数舱段的起吊、翻转作业要求，对于同类吊具的设计具有参考和指导意义。