某型机翼运输工装结构设计_傅桂林.pdf

中国科技信息 2023 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023-32-航空航天在我国航空工业的飞速发展中，为适应现代化国防与空空作战的需要，飞机各个型号层出不穷，飞机机翼与大壁板组件都是小批量、多型号生产，其运输工装通常都是专车专用，为适应飞机机翼在部装与总装中各个环节复杂环境下的运输，需要详细分析运输工装的力学性能，保证高价值部件在复杂环境下的运输不受损伤。国内外众多学者对大部件运输工装的研究成果众多。从对工装的结构分析入手，分别加载静载位移与动载位移进而实现不同运输方案的对比，对运输方案进行优化设计。为改变专车专用的现象，有学者结合柔性思想，将多点柔性支撑系统运用于全向自动化移动的运输平台中，将控制系统与离线编程系统同运输平台结合，初步满足飞机部件柔性运输要求。在飞机智能运输装配领域，基于变密度法与 SIMP 插值模型，将单元中的相对密度作为设计变量，优化车体结构柔度为目标，完成拓扑求解优化数学模型，确定结构设计方案。从未来运输车辆的车联网方向，从需求与设计反推进行研究，得出车载运输装置在未来的发展趋势。在使用皮带装置进行部件长距离运输上，其对主要驱动部件进行了设计，缺乏对部件宽度与运用环境因素的考虑。本文以某项目为基础，设计某型飞机机翼专用运输工装并通过有限元软件进行分析，将厂内运输使用的工装托架与厂际运输使用的举升装置相结合进行强度分析，从结构的机械性能参数入手，考虑在厂内道路与厂际道路运输时不同的工况条件整个工装的受力变化给出一定的结构优化建议，并将工装与举升装置结合，使用模态分析确定在不同的振动环境下避免工装在工作中出现共振现象，为今后实际使用提供一定的理论支撑。静载分析建模软件平台使用三维几何模型以 XT 格式导入，使用SolidworksSimulation有限元分析软件，台式工作站（16核、64G/2T）为计算的硬件平台。工装的主体结构采用碳纤维管，其主要机械性能参数如表 1 所示，整体采用 T、mm、s、MPa、N 单位制。在工装的地面停放状态时，支腿着地，顶部需要满足承载 500kg 的负载要求，本文中的设计主要采用材料牌号为碳纤维 T300-3 000，图 1 为机翼工装的数学模型。将模型进行网格划分，在有限元软件中使用自适应网格划分，如图 2 所示，在工装的机械连接处进行局部网格加密行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度某型机翼运输工装结构设计傅桂林 刘 航 赵裔俊 郑 昂傅桂林 刘 航 赵裔俊 郑 昂成都成飞航空产业发展有限责任公司技术生产部傅桂林，大学本科，航空工程师；刘航，硕士，研究方向：航空工程；赵裔俊，大学本科，航空工程师；郑昂，硕士，研究方向：人工智能。-33-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期航空航天处理，在后续网格检查中并未发现有节点重叠情况，说明网格质量良好。将部件固定在工装模型上，使用夹具夹紧，如图 3所示，零部件在 X、Y、Z 方向上所受的反作用力分别是-0.096N、-0.013N、5 814.170N，其零部件的反力矩均为 0N。由于该工装工作时承重约为 500kg，所以如图 4（b）中所示，应用法向力加载 5 000N，由于重力的作用，如图 4（b）所示，设置重力加速度为 9.8m/s2。进行计算后，图 5 为工装的变形情况，工装的最大变形约为 2.8mm，最大变形主要集中在结构中心，变形呈向四周放射并逐渐减小的规律。图 6 为工装的应力集中情况，最大应力为 55MPa，最大应力集中在支腿上。从静载状态下机翼运输工装计算结果来看，整体工装在静载状态下的最大变形为 2.8mm，最大应力为 55MPa，选表 1 碳纤维管材料性能参数表材料抗拉强度（MPa）弹性模量（GPa）伸长率（%）细度（g/1,000m）密度（g/cm3）T300-10003 5302301.5661.76T300-30003 5302301.51981.76T300-60003 5302301.53961.76图 2 机翼工装的网格模型图 3 部件的固定方式示意图（b）重力的加载图 4 加载方式的设置示意图（a）法向力的加载图 1 机翼工装的数学模型中国科技信息 2023 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023-34-航空航天承力部件与举升托架进行强度计算，车体与举升托架选用Q390 材料，其主要力学性能参数如表 2 所示。表 2 Q390 主要力学性能参数抗拉强度 MPa伸长率%屈服点 MPa冲击吸收功 Akv/J370580 19 330 27图 10 为车体主要承力部件车架的三维数学模型，图 11为车架网格的划分，为保证计算的准确性，将主体结构中局部进行网格加密。整体模型采用四面几何体固定，反作用（c）重力的加载图 7 加载方式的设置图 6 工装的应力集中图 5 工装的变形量取的碳纤维材料屈服强度为 3 530MPa，完全能够满足使用要求，并有充分的余量，初步判定该方案可行。动载分析当该工装处于厂内运输状态时，工装除承受机翼的自重以外，还需要承受突然加速和制动产生的侧向力，其有限元分析模型与固定方式同静载状态下的计算一致。如图 7（a）中所示，应用法向力加载 2 000N，如图 7（b）所示，侧向力加载 200N，由于重力的作用，如图 7（c）所示，设置重力加速度为 9.8m/s2。经过计算，图 8 为动载状态下工装的变形情况，最大变形约为 1.3mm，主要集中在工装的中心位置，呈现放射状向四周不断减小。图 9 为动载状态下零件的应力集中情况，工装的最大应力为 27MPa，主要集中在四个支腿周围。从静载状态下机翼运输工装计算结果来看，壁板托架在运输状态的最大变形 1.3mm，最大应力约为 27MPa，选取的碳纤维材料屈服强度为 3 530MPa，完全能够满足使用要求，并有充分的余量，初步判定该方案可行。模态分析车架的设计计算由于该工装在机翼通过厂际道路转运时，需要使用举升装置将机翼与工装一同举升至货箱中，因此要对车体主要（a）法向力的加载（b）侧向力的加载-35-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期航空航天图 9 动载状态下工装的应力图 8 动载状态下工装的变形量图 10 车架的三维模型示意图完全能够满足使用要求，并留有很大的余量。从图 13 上可以看出，在车架的部分应力水平偏低的位置，可以对材料进行减重。举升托架的设计计算图 15 为升降托架的数学模型，图 15 为升降托架的网格划分，在局部采用网格加密，确保计算的准确性。模型整体采用实体两面固定方式，在 X、Y、Z 方向上的反作用力分别为 0.11N、8,167.24N、0N，其合力为 8 164.24N，考虑横梁负载为 3,000N，重力加速度取 9.8m/s2。图 13 车架的应力情况图 12 车架的变形情况图 11 车架网格的划分力在 X、Y、Z 方向上分别是 66 343.6N、-0.006N、75 000N，合力为 100 132N。考虑重力与应用法向力的作用，重力加速度取 9.8m/s2。经过计算，由图12可知，整体车架的最大变形为2.6mm，变形主要集中在结构的径向，并呈现向中间不断递减的规律。图 13 为车架的应力分布情况，车架的最大应力约为97MPa，应力集中于安装孔位，围绕孔位呈现环形分布的特征。根据以上计算结果，车架的最大变形 2.6mm，最大应力约为 97MPa，选取的 Q390 材料屈服强度为 390MPa，中国科技信息 2023 年第 3 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023-36-航空航天图 17 举升托架的变形情况图 16 举升托架的变形情况图 15 举升托架的网格划分图 14 举升托架的数学模型图 18（a）第 1 阶模态振型图 18（b）第 2 阶模态振型-37-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2023中国科技信息 2023 年第 3 期航空航天图 18（e）第 5 阶模态振型图 18（c）第 3 阶模态振型图 18（d）第 4 阶模态振型将运输工装的动载的工作情况进行加载，图16为举升托架的变形情况，零件的最大变形约为 7.5mm，主要集中在结构中心，变形量呈现向两侧不断减小的趋势。图 17 为托架应力情况，最大应力为 8.9MPa，集中在托架两侧点位上。从以上计算结果来看，托架的最大变形 7.5mm，最大应力约为8.9MPa，选取的材料 Q390 的屈服强度为 390MPa，完全能够满足使用要求，并有很大的余量。经过分析可知，对部分应力水平偏低的位置可以对材料进行减重，同时可以考虑对中部变形较大区域进行加强。通过模态分析确定升降托架的振动特性，获取升降托架的固有频率和振型，对转运过程中的安全性具有较大的参考意义。计算是选取装载机翼托架后的工况进行模态分析。各阶固有频率及振型特点见表 3，各阶固有振型计算结果见图 19（ae）所示。经过分析可知，可在实际方案中避免共振。表 3 各阶固有振型计算模态阶数 固有频率（Hz）振型特征119.048中部上下摇摆236.809中部左右扭摆339.596中部左右摇摆448.738两端上下摇摆575.884两端上下扭摆结语通过计算可知，该结构能够满足要求，少数区域因应力较大需进行加强，同时少数区域可以进行适当减重。仿真结果表明，在静态负载与动态负载下，机翼运输工装、车架、举升托架整体的强度和刚度能满足设计要求。应力云图分布较为合理，整体变形均匀，无突变情况，因此设计满足强度要求。