基于ADAMS的單梁吊具吊索受力不均問題研究分析

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(北京航天發(fā)射技術研究所，北京100076)

0 引言

單梁四吊索起吊作為一種常用的水平吊裝方式，廣泛應用于各型號航天產(chǎn)品的吊裝轉載任務。根據(jù)單梁四吊點吊具結構特點，四點承載受力屬于超靜定問題。由于零部件長度尺寸偏差、被吊產(chǎn)品質(zhì)心偏差等客觀因素影響，必然存在起吊過程中各吊點受力不均的情況。此外，由于部分吊具零部件連接自由度設計不合理、吊索種類選取不合理等原因存在，單梁四吊索吊具的受力不均勻性將更加明顯。在某些極限情況下，可能會出現(xiàn)只有兩個吊點承載的情況。本文通過問題分析、仿真計算分析等手段，分析單梁四吊索吊具吊點受力不均的影響因素及由此導致的不均勻程度，為后續(xù)單梁四吊索吊具的設計提供參考[1]。

1 吊具方案簡介及工作原理

1.1 方案簡介

本文以某型號四吊索吊具為研究對象，該吊具采用單鉤起吊，為框架式結構，主要由吊耳、吊梁、連接叉、止動銷、前吊帶、后吊帶、前連接板和花蘭螺栓等組成。吊具組成結構見圖1。

圖1 四吊索吊具結構組成圖

1.2 工作原理

該吊具采用單鉤四吊索水平起吊，通過吊耳與吊鉤連接，通過前連接板與被吊產(chǎn)品的前端吊點相連，通過花蘭螺栓與被吊產(chǎn)品的后端吊點相連。該吊具沿縱向為非對稱結構。該吊具通過調(diào)節(jié)花蘭螺栓的長度調(diào)節(jié)被吊產(chǎn)品與水平面的夾角，保證被吊產(chǎn)品與水平面的夾角不超過3°，且前高后低。不同吊裝工況下，后吊帶長度和吊帶在吊梁上的連接位置均不同。

2 動力學計算模型及邊界條件

2.1 計算模型介紹

圖2 吊具計算模型

計算模型吊具的整體尺寸、質(zhì)量質(zhì)心位置等參數(shù)模擬該四吊索吊具進行建模，其中斜拉吊帶(共四根)型號為R01-10，額定載荷10 t。前吊索長度2.595 m，后吊索長度3.555 m；被吊產(chǎn)品質(zhì)量15 t，質(zhì)心沿被吊產(chǎn)品軸向最大偏差100 mm，橫向最大偏差10 mm；計算模型中忽略吊具重量。該四吊索吊具等效計算模型見圖2。

該四吊索吊具在計算時對吊具及被吊產(chǎn)品進行如下簡化[2-4]：

1)吊具上端吊梁通過吊環(huán)與吊車的吊鉤連接，在吊環(huán)上端中心設置一個MARKER點(MARKER點與大地固定連接)， 在吊梁與MARKER點之間建立一個球鉸副，模擬吊具與吊鉤的連接，且可繞吊鉤在空間內(nèi)適應性轉動；

2)吊梁兩側通過叉架、吊帶、連接叉與被吊產(chǎn)品連接，在模型中省略叉架、連接叉等結構件，在吊梁與被吊產(chǎn)品對應連接點之間建立彈簧元件，通過彈簧元件對吊帶進行模擬；

3)對被吊產(chǎn)品模型進行簡化，省略被吊產(chǎn)品上的起吊組件，通過設置密度值模擬被吊產(chǎn)品實際重量，通過改變被吊產(chǎn)品質(zhì)心的MARKER點在計算模型中的坐標位置模擬其質(zhì)心的偏差量。

2.2 四吊點受力不均勻性影響因素

根據(jù)吊具結構特點，四點受力不均勻的影響因素主要包含吊帶長度差、吊帶伸長率、被吊產(chǎn)品質(zhì)心偏差、吊點位置分布等影響因素。

上述影響因素的存在將導致起吊過程中四吊點受力不均現(xiàn)象，以下通過使用彈簧對吊帶進行模擬計算，通過動力學分析對各影響因素進行總結分析，并與以往計算結果進行對比。根據(jù)吊具結構特點，對三個影響吊索承載不均勻性的主要因素設置供參考的計算輸入，具體如表1所示。以下通過吊具的動力學分析對各影響因素進行分析和總結[5]。

表1主要影響因素的設計輸入值

3 吊具動力學計算情況

圖3 彈簧位置分布示意圖

以吊具動力學模型為基礎，對各影響因素進行分析計算，并對計算結果進行分析總結，首先對其中一根吊帶偏長的情況進行計算，彈簧位置分布見圖3，圖示位置為俯視位置，對前左彈簧比其他彈簧偏差0.02 m、0.04 m的情況進行計算，其中被吊產(chǎn)品質(zhì)心位置理論質(zhì)心(無偏差)[6-7]。

3.1 單根吊索長度差的影響

理想狀態(tài)下前后兩組吊帶的受力應相等，受力結果見圖4，吊帶長度差情況下吊帶受力將存在偏差，其中前左吊帶偏長0.02 m時的計算結果見圖5。

通過對維生素B1缺乏癥的治療以及預防，減少了動物的死亡率，節(jié)約了養(yǎng)殖成本，降低了因維生素B1缺乏引起的各種神經(jīng)及心血管癥狀，能直接提供動物所需的硫胺素，從而達到預防和治療的目的。

圖4 理想狀態(tài)受力計算結果

圖5 前左吊帶偏長0.02mm受力計算結果示意

如表1所示，在ADAMS模型中，用彈簧代表吊帶進行吊具動力學仿真計算。因為吊帶的實際伸縮率遠小于彈簧，所以在設置彈簧剛度時，需要將彈簧的剛度設置成100000 N/m(該剛度值與實際吊帶的伸長率相似)。同時考慮到吊具的不均勻承載是靜力學過程，對吊具進行動力學計算時采用靜力學計算方法，所以在圖4和圖5中各吊帶的受力曲線是一條直線。

3.2 吊索伸長率的影響

對前左吊帶偏長0.02 m、0.04 m的情況分別進行計算，吊帶的伸長率分別取值5E5 N/m、1E6 N/m、2E6 N/m、5E6 N/m、1E7 N/m。計算結果對比情況見圖6-圖8。

圖6 前左吊帶偏長0.02m時各點受力隨伸長率 變化對比

圖7 前左吊帶偏長0.04m時各點受力隨伸長率 變化對比

圖8 SPRING1偏長兩種工況受力偏差對比

通過對上述計算結果進行分析可得出以下結論：

1)吊帶長度存在偏差時，各點受力存在不均勻性，受力不均勻程度與吊帶長度差數(shù)值成正比，長度差越大各點受力偏差也越大；

2)在特定偏差情況下，各點受力的不均勻性也受吊帶伸長率影響，伸長率越大時各點受力偏差也越大；

3)該吊具結構形式受吊帶長度和伸長率影響均偏小，當伸長率由5E5 N/m增大至1E7 N/m時，吊點最大受力偏差1000 N；當長度差變化時，各點受力偏差最大1500 N。根據(jù)上述偏差計算吊點不均勻系數(shù)最大為1.03。

以上計算對吊具四吊點吊帶的長度和伸長率影響情況進行了分析，后文繼續(xù)對被吊產(chǎn)品質(zhì)心偏差情況進行分析，進一步總結四吊點斜拉起吊的惡劣工況及各吊點受力的不均勻程度。

3.3 被吊產(chǎn)品質(zhì)心偏差的影響

對被吊產(chǎn)品質(zhì)心偏差進行計算，以模型俯視圖中自左向右為X軸正向，自下向上為Y軸正向，根據(jù)總體任務書要求：質(zhì)心X軸方向最大偏差量為100 mm，Y軸方向最大偏差量為10 mm，以前左吊帶偏長0.04 m為例，對質(zhì)心偏差(+0.1 m、+0.01 m)、(-0.1 m、+0.01 m)進行分析，上述偏差位置比其他質(zhì)心偏差位置對受力的不均勻性影響最大。上述計算對應的計算結果見圖9-圖11。

圖9 前左吊帶偏長0.04m、質(zhì)心偏差(+0.1、+0.01) 計算結果

圖10 前左吊帶偏長0.04m、質(zhì)心偏差(-0.1、+0.01) 計算結果

通過對上述計算結果進行分析可得出以下結論：

2)被吊產(chǎn)品的質(zhì)心偏差位置的影響因素較小，兩種位置引起的偏差量不大于500 N，對吊具受力計算可忽略不計；

圖11 前左吊帶偏長0.04m、兩種質(zhì)心偏差載荷對比

3)考慮質(zhì)心偏差影響時吊點受力最大偏差4750 N，對應的吊具吊點的不均勻系數(shù)為1.04。

3.4 各因素疊加后的影響

以上計算僅針對吊具一個吊點(前左)長度存在偏差時，對各點受力與對應的影響因素進行了分析，而由于吊帶生產(chǎn)時的長度差隨機性、使用裝配時的位置隨機性等原因，以下繼續(xù)對該類型吊具四吊點受力不均勻影響因素和不均勻程度進行分析。

由于該四吊索吊具前后吊點的長度不一致，因此吊具與前述兩種吊具的結構特點和承載特性也不一樣，對吊具的計算工況應進行分析和區(qū)分。根據(jù)吊具結構特點，以前左吊帶偏長0.04 m為例，對質(zhì)心偏差(+0.1、0.01)的情況進行分析，前左、前右吊帶偏差0.04 m，前左、后右吊帶偏差0.04 m計算。

分別對上述的兩種情況簡稱為組合一和組合二，對兩種情況進行計算。經(jīng)計算組合一的受力結果見圖12，組合二在ADAMS計算時無法收斂、無法靜平衡，即組合二的情況起吊時產(chǎn)品受力不平衡，無法順利完成起吊。

通過對上述計算結果進行分析可得出以下結論：

1)組合二情況(對角線上兩點偏長或偏短)無法靜平衡，吊具在安裝時應避免對角兩點都偏長的情況；

2)組合一情況(同側兩點偏長)時，吊點的受力最大偏差3900 N，較之前的計算結果偏小，因此該工況的影響因素也較小，由此計算的吊點受力不均勻系數(shù)為1.03。

圖12 組合一各吊點受力情況

3.5 小結

通過使用ADAMS動力學分析軟件對該四吊索吊具進行受力分析，可得出以下結論：

1)單梁四點沿產(chǎn)品軸向斜拉起吊類型的吊具受力均勻性影響因素包含吊索伸長率、吊索長度差、被吊產(chǎn)品質(zhì)心位置偏差、吊索安裝組合位置等；各影響因素的影響因子從大至小排序為被吊產(chǎn)品吊索安裝組合位置>吊索長度差>質(zhì)心位置偏差>吊索伸長率。其中對角兩點吊索均偏長或偏短時，吊具的受力不能靜平衡，在使用時應避免。

2)根據(jù)吊具計算結果，受力不均勻系數(shù)最大為1.04，后續(xù)受力不均勻系數(shù)可按1.05進行計算分析。

4 結論

本文從單根吊索長度差、吊索伸長率、質(zhì)心偏差和各綜合因素疊加等四個角度分別進行了起吊不均勻性的仿真計算。經(jīng)過仿真計算，可以得出以下結論：對該四吊索吊具，其為框架式單梁四點沿產(chǎn)品徑向斜拉起吊類型的吊具，明確被吊產(chǎn)品吊索安裝組合位置對提高起吊均勻性有重要意義。但是吊索的伸長率特性對起吊均勻性作業(yè)不大。在各種因素疊加作用下，吊點的不均勻系數(shù)最大不超過1.04，后期針對此種類型的四吊索吊具可以將不均勻系數(shù)降低到1.05，這樣可以有效減輕吊具的重量。