某飛行器通用包裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

潘陽，李磊，趙志光

某飛行器通用包裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

潘陽，李磊，趙志光

（北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京 100076）

針對(duì)每種飛行器都需要設(shè)計(jì)專用的包裝箱現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一種新型通用化的包裝箱，滿足運(yùn)輸與起吊要求，可適應(yīng)多種飛行器的使用。根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了包裝箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用有限元分析方法與工程算法對(duì)運(yùn)輸工況、起吊工況進(jìn)行分析，并進(jìn)行可靠性、安全性、維修性和保障性分析。得到了在運(yùn)輸與起吊最大質(zhì)量產(chǎn)品工況下，包裝箱鋼骨架的最大應(yīng)力分別為166 MPa和215 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求，且具備較高的可靠性、安全性、維修性和保障性。包裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求，可用于多種尺寸的飛行器運(yùn)輸，降低了設(shè)計(jì)成本。

包裝箱；結(jié)構(gòu)；通用

某飛行器包裝箱主要用于產(chǎn)品的貯存與運(yùn)輸，具有一定的密閉保護(hù)作用[1]。包裝箱主要根據(jù)產(chǎn)品外形尺寸、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、裝卸要求、使用條件等進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。一般來說一種包裝箱對(duì)應(yīng)一種飛行器，導(dǎo)致包裝箱種類繁多，每次均需要從零部件開始進(jìn)行重復(fù)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，設(shè)計(jì)與生產(chǎn)成本較高。基于此，本文設(shè)計(jì)一種通用金屬包裝箱，能適應(yīng)包絡(luò)不超過900 mm×2 480 mm，質(zhì)量不大于1 500 kg的多種外形尺寸的飛行器。

1 包裝箱設(shè)計(jì)要求

包裝箱的設(shè)計(jì)要具備防護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)防雨、防潮、防塵等功能[3-7]。包裝箱應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度與剛度，可適應(yīng)多次使用、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸，滿足鐵路運(yùn)輸安全要求[8]。產(chǎn)品在包裝箱內(nèi)水平放置、水平運(yùn)輸。產(chǎn)品在包裝箱內(nèi)要固定得可靠牢固，避免產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)位移及損壞。包裝箱上應(yīng)留有叉車操作與起吊的接口。內(nèi)裝產(chǎn)品外形尺寸不超過900 mm×2 480 mm，質(zhì)量不大于1 500 kg。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

包裝箱主體結(jié)構(gòu)的材質(zhì)主要有木質(zhì)、金屬、玻璃鋼3種。木質(zhì)包裝箱成本低、加工周期短，但不耐用、易受潮，多用于臨時(shí)周轉(zhuǎn)。玻璃鋼包裝箱結(jié)構(gòu)輕，可具備保溫功能，但成本較高，多用于對(duì)功能有一定要求的產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)選用金屬包裝箱，具備易加工、耐用、承力高的特點(diǎn)[9]。

對(duì)箱體進(jìn)行整體性設(shè)計(jì)，采用金屬框架、包覆蒙皮焊接成型結(jié)構(gòu)。要求產(chǎn)品水平放置，為方便產(chǎn)品出入箱，采用上下箱開合模式。在包裝箱底部設(shè)置叉車接口，并設(shè)置上、下箱起吊環(huán)，上箱起吊環(huán)用于起吊上箱體，下箱起吊環(huán)用于起吊整箱。包裝箱整體如圖1所示，經(jīng)計(jì)算，總質(zhì)量在700 kg內(nèi)。

圖1 包裝箱整體示意圖

包裝箱上箱體采用無堆垛設(shè)計(jì)，C型框與蒙皮焊接提高了上箱強(qiáng)度同時(shí)增強(qiáng)了箱體整體性，端面設(shè)置不銹鋼把手方便上下箱開合過程的對(duì)正調(diào)整。

2.2 下箱體設(shè)計(jì)

包裝箱下箱體由金屬框架、蒙皮、下箱起吊環(huán)、導(dǎo)向塊、接線柱、搭扣等部分構(gòu)成，如圖2所示。上、下箱采用具有調(diào)節(jié)松緊功能的不銹鋼搭扣進(jìn)行緊固連接，開啟閉合上箱操作方便快捷?？诳騼?nèi)側(cè)設(shè)置4個(gè)導(dǎo)向塊，用于上、下箱合箱時(shí)，對(duì)上箱進(jìn)行導(dǎo)向，保證上、下箱結(jié)構(gòu)對(duì)正，確保密封性。

金屬框架為主要承力組件，金屬框架采用成本低、質(zhì)量穩(wěn)定的型材焊接而成。支撐組件與金屬框架采用螺栓連接，連接板上每隔100 mm設(shè)置2個(gè)螺紋孔，用以連接支撐組件，實(shí)現(xiàn)支撐組件軸向的可移動(dòng)，如圖3所示。

上下箱體對(duì)接處采用矩形鋼焊接口框結(jié)構(gòu)，口框間設(shè)置密封襯墊，通過內(nèi)側(cè)金屬凸臺(tái)的結(jié)構(gòu)提升密封性，密封結(jié)構(gòu)如圖4所示。金屬凸臺(tái)分別焊接在上下箱體的口框上，密封襯墊鉚接在下箱體的口框與金屬凸臺(tái)上。

圖2 包裝箱下箱體示意圖

圖3 包裝箱金屬骨架示意圖

圖4 密封結(jié)構(gòu)

2.3 支撐組件設(shè)計(jì)

為滿足不同外形尺寸的產(chǎn)品使用，共設(shè)計(jì)3種規(guī)模的支撐組件，分別為前支撐組件、中支撐組件、后支撐組件，如圖5所示。具體尺寸如表1所示?？ü繉挾仍O(shè)計(jì)為80 mm，卡箍截面角度為10°，卡箍?jī)?nèi)側(cè)與產(chǎn)品接觸的毛氈厚度為10 mm，以貼合不同尺寸的產(chǎn)品?？ü砍叽缭O(shè)計(jì)為劣弧，以適應(yīng)不同的直徑尺寸的產(chǎn)品?；罟?jié)螺栓長(zhǎng)度為310 mm，以保證210 mm的調(diào)節(jié)范圍。

圖5 支撐組件示意圖

表1 支撐組件規(guī)模統(tǒng)計(jì)表

Tab.1 Statistics of support assembly scale

支撐組件的安裝采用4個(gè)M12連接螺栓與底部連接板連接，螺栓孔間距為100 mm，與連接板上的螺紋孔間距一致。支撐組件的軸向可調(diào)節(jié)，最小調(diào)節(jié)量為100 mm。前支撐組件、中支撐組件的高度調(diào)節(jié)采用2個(gè)M20的調(diào)節(jié)螺栓連接到支撐組件上不同的孔來調(diào)節(jié)，共有3個(gè)可調(diào)節(jié)的位置，如圖6所示。

圖6 支撐組件高度調(diào)節(jié)方式

2.4 后擋組件設(shè)計(jì)

后擋組件如圖7所示，后擋板高為70 mm、寬為200 mm。后擋組件的軸向位置除了可利用每隔100 mm的連接板調(diào)整外，還可利用手輪進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整范圍為0～35 mm，后擋板的高度位置可通過調(diào)節(jié)螺栓安裝在長(zhǎng)圓孔處的不同位置調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為0～50 mm（后擋板上表面到底部連接板高度范圍為155～205 mm）。

圖7 后擋組件示意圖

2.5 使用方法

使用時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品的外形尺寸及可支撐位置，選取2種規(guī)模的支撐組件，將支撐組件及后擋組件固定在底部連接板上，盡量保證放入產(chǎn)品后包裝箱的質(zhì)心在箱體的中心。調(diào)節(jié)支撐組件的上下高度，保證產(chǎn)品的水平放置，并保證后擋板能貼緊產(chǎn)品底部。擰緊活節(jié)螺栓處的螺母，保證上下卡箍的中間位置與產(chǎn)品緊密貼合，產(chǎn)品固定牢靠。

2.6 方案優(yōu)劣

本方案與傳統(tǒng)的飛行器包裝箱相比，主要優(yōu)勢(shì)如下：

1）通過支撐組件的組合選用可適用于多種飛行器，調(diào)整方便快捷。

2）箱體具有通用屬性，除了可用于回轉(zhuǎn)體的飛行器，還可通過新設(shè)計(jì)支撐組件適用于異形體飛行器。

3）整體設(shè)計(jì)及加工成本較低。

缺點(diǎn)主要是需要使用人員根據(jù)飛行器尺寸大小選用支撐組件，需要提前進(jìn)行學(xué)習(xí)。包裝箱交付時(shí)配備了詳細(xì)的使用說明書供使用人員學(xué)習(xí)，易學(xué)易用。

3 強(qiáng)度分析

3.1 運(yùn)輸工況

包裝箱在運(yùn)輸過程中，運(yùn)輸工具的啟動(dòng)、急剎車等會(huì)對(duì)包裝箱產(chǎn)生沖擊[10-12]。包裝箱的2組支撐組件和后擋組件共同承受產(chǎn)品運(yùn)輸過程中的慣性力，前卡箍可防止產(chǎn)品前竄上跳側(cè)滑，后卡箍和后擋板可防止產(chǎn)品后竄上跳側(cè)滑。以下箱體金屬框架為主承力結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度計(jì)算過程中約束下箱體底部向下的位移，同時(shí)固定4個(gè)下箱起吊環(huán)，按照同時(shí)施加縱向過載1.27，橫向過載0.29，垂直（向上）過載0.5[13-14]，框架自身施加箱體質(zhì)量力，對(duì)下箱體金屬框架、支撐組件、后擋組件開展計(jì)算。按照所裝最大質(zhì)量1 500 kg進(jìn)行計(jì)算，支撐組件及后擋分別處于最靠前和最靠后的位置。

下箱金屬框架材料為Q235A鋼，屈服強(qiáng)度s=235 MPa，強(qiáng)度極限b=375 MPa。支撐組件、下箱起吊環(huán)等材料為20#鋼，屈服強(qiáng)度s=245 MPa，強(qiáng)度極限b=410 MPa。活節(jié)螺栓材料為45#鋼，屈服強(qiáng)度s=352 MPa，強(qiáng)度極限b=600 MPa。

經(jīng)過有限元仿真計(jì)算，下箱體金屬框架應(yīng)力云圖如圖8所示，變形云圖如圖9所示。最大應(yīng)力為166.2 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度[15]，變形量為3.11 mm，滿足鐵路運(yùn)輸強(qiáng)度要求。

前支撐組件應(yīng)力云圖如圖10所示，最大應(yīng)力為15.4 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度，滿足鐵路運(yùn)輸強(qiáng)度要求。

圖8 箱體骨架應(yīng)力云圖

后支撐組件應(yīng)力云圖如圖11所示，最大應(yīng)力為20.7 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度，滿足鐵路運(yùn)輸強(qiáng)度要求。

后擋組件應(yīng)力云圖如圖12所示，最大應(yīng)力為8.2 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度，滿足鐵路運(yùn)輸強(qiáng)度要求。

圖12 后擋應(yīng)力云圖

卡箍與支撐弧托連接的活節(jié)螺栓需要承受產(chǎn)品縱向和橫向慣性力產(chǎn)生的剪力，按照產(chǎn)品質(zhì)量為1 500 kg，采用4個(gè)材料為45#鋼的M20粗牙（有效截面面積為265.2 mm2）活節(jié)螺栓連接。當(dāng)承受縱向1.27、橫向0.29的過載時(shí)，按照50%的受力進(jìn)行計(jì)算，單個(gè)活節(jié)螺栓受到的剪應(yīng)力見式（1）。

單個(gè)活節(jié)螺栓受到的拉應(yīng)力按垂向0.5（含自質(zhì)量）計(jì)算，產(chǎn)品質(zhì)量為1 500 kg，按照50%的受力進(jìn)行計(jì)算，單個(gè)活節(jié)螺栓受到的拉應(yīng)力見式（2）。

合成最大應(yīng)力為：

式中：為單個(gè)活節(jié)螺栓受到的剪應(yīng)力，MPa；為單個(gè)活節(jié)螺栓受到的拉應(yīng)力，MPa；為產(chǎn)品質(zhì)量，kg；為單個(gè)活節(jié)螺栓截面面積，mm2；為活節(jié)螺栓個(gè)數(shù)。

綜上，活節(jié)螺栓的最大應(yīng)力為73.52 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度，滿足鐵路運(yùn)輸強(qiáng)度要求。

3.2 起吊工況

包裝箱在起吊過程中，下箱體金屬框架為主承力結(jié)構(gòu)。強(qiáng)度計(jì)算過程中固定4個(gè)下箱體起吊環(huán)，起吊工況安全系數(shù)取2，動(dòng)荷系數(shù)取1.2，對(duì)下箱體金屬框架、支撐組件、后擋組件開展計(jì)算。

經(jīng)過有限元仿真計(jì)算，下箱體金屬框架應(yīng)力云圖如圖13所示，變形云圖如圖14所示。最大應(yīng)力為214.7 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度，變形量為4.22 mm，滿足起吊強(qiáng)度要求。起吊工況中，金屬框架應(yīng)力較大，支撐組件、后擋應(yīng)力較小。

圖13 箱體骨架應(yīng)力云圖

圖14 箱體骨架位移云圖

4 設(shè)計(jì)分析

4.1 可靠性分析

1）包裝箱采用成熟的結(jié)構(gòu)形式、通用的金屬材料、穩(wěn)定可靠的制造工藝，保證其具有較高的可靠性。

2）原材料的選用品種少，貨源充足。

3）包裝箱表面經(jīng)涂漆或鍍層保護(hù)，具有多重耐潮、防銹防護(hù)，經(jīng)久耐用可靠性高。

4）毛氈制品經(jīng)防腐、防潮、防蟲處理后，耐用、可靠性高。

5）包裝箱能叉運(yùn)、可起吊，能適應(yīng)運(yùn)輸工況。

4.2 安全性分析

1）外露零部組件的銳角、凸出部和銳邊等相關(guān)部位全部經(jīng)過倒圓、倒角或打鈍銳邊處理，防止對(duì)操作人員造成磕碰損傷。

2）卡箍與內(nèi)部產(chǎn)品之間黏接有毛氈，使用時(shí)對(duì)產(chǎn)品起到緩沖保護(hù)作用。

3）活動(dòng)部位有鎖緊、防松措施，確保使用安全牢靠。

4）包裝箱不屬于易燃、易爆、有毒產(chǎn)品，因而在使用、運(yùn)輸和貯存過程中不存在安全性問題。

4.3 維修性分析

1）包裝箱的零部組件之間的連接以焊接與螺接為主。前者可靠性高，正常使用狀態(tài)下無需維修；后者安裝拆卸方便快捷，便于維修更換。

2）標(biāo)準(zhǔn)化程度高，便于設(shè)備的快速換件與拆裝修理。

3）黏接毛氈的橡膠液可市購，毛氈更換操作簡(jiǎn)單，方便更換及維修。

4）對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)形式采用可拆裝形式，并在其周圍留有足夠的空間，便于操作更換，提高包裝箱的維修性。

4.4 保障性分析

1）包裝箱的使用說明中詳細(xì)規(guī)定了操作規(guī)程和注意事項(xiàng)、運(yùn)輸要求和裝箱要求，以保證使用、運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

2）包裝箱的使用與維護(hù)過程無復(fù)雜操作，所需保障的技術(shù)人員和操作人員均可通過簡(jiǎn)單培訓(xùn)達(dá)到實(shí)際技能需求。

3）包裝箱的維護(hù)無需專用工具，使用過程中所需的扳手等通用工具均為貨源充足的標(biāo)準(zhǔn)市購件，自身無需維修和自檢。

5 實(shí)物驗(yàn)證

包裝箱設(shè)計(jì)完成后，按照?qǐng)D紙進(jìn)行了生產(chǎn)加工。生產(chǎn)過程中，未使用特殊工藝，加工時(shí)間較短、成本較低。加工完成后，開展了動(dòng)、靜載荷試驗(yàn)與接口匹配試驗(yàn)。

靜載荷試驗(yàn)載荷為額定載荷的1.3倍，吊離地面0.2 m，停留20 min。動(dòng)載荷試驗(yàn)載荷為額定載荷的1.1倍，吊離地面0.2 m，水平移動(dòng)5 m，行走3次；垂直吊離地面2.5～3 m的高度，下降過程中制動(dòng)3次。箱體未出現(xiàn)塑形變形與裂紋，試驗(yàn)通過。

接口匹配試驗(yàn)是將各尺寸產(chǎn)品裝入包裝箱內(nèi)，檢查固定情況。試驗(yàn)表明各尺寸產(chǎn)品均能被固緊，使用方便。實(shí)物驗(yàn)證如圖15所示。

圖15 實(shí)物驗(yàn)證

6 結(jié)語

采用通用化、組合化的設(shè)計(jì)思路對(duì)飛行器的包裝箱進(jìn)行設(shè)計(jì)，從方案設(shè)計(jì)、選用材料、維護(hù)保障等方面降低了成本。利用有限元分析方法對(duì)運(yùn)輸工況、起吊工況進(jìn)行了分析，滿足強(qiáng)度要求。設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。該包裝箱的設(shè)計(jì)使單一包裝箱的適用范圍更大，降低了設(shè)計(jì)成本，具有較大的應(yīng)用前景。

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Structural Design of General Packaging Box for Vehicle

PAN Yang, LI Lei, ZHAO Zhi-guang

(Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing 100076, China)

In view of the current situation that each type of vehicle requires a dedicated packaging box, the work aims to design a new type of general packaging box that can meet the transportation and lifting requirements and adapt to a variety of vehicles. The structure of the packaging box was designed according to the design requirements. The transportation and lifting conditions were analyzed with finite element analysis methods and engineering algorithms and the reliability, safety, maintainability and supportability were analyzed. It was obtained that the maximum stress of the steel skeleton of packaging box was 166 MPa and 215 MPa under the condition of transporting and lifting the product of the maximum mass, which was smaller than the yield strength of the material, meeting the strength requirements and ensuring high reliability, safety, maintainability, and supportability. This structural design of packaging box meets the design requirements and the packaging box can be used for transportation of vehicles of different sizes with lower design costs.

packaging box; structure; general

TB485.3；V554

A

1001-3563(2023)23-0315-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.23.038

2023-05-11

責(zé)任編輯：曾鈺嬋