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(北京航天發(fā)射技術(shù)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(yīng)用于各型號(hào)航天產(chǎn)品的吊裝轉(zhuǎn)載任務(wù)。根據(jù)單梁四吊點(diǎn)吊具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，四點(diǎn)承載受力屬于超靜定問(wèn)題。由于零部件長(zhǎng)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(guò)程中各吊點(diǎn)受力不均的情況。此外，由于部分吊具零部件連接自由度設(shè)計(jì)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(huì)出現(xiàn)只有兩個(gè)吊點(diǎn)承載的情況。本文通過(guò)問(wèn)題分析、仿真計(jì)算分析等手段，分析單梁四吊索吊具吊點(diǎn)受力不均的影響因素及由此導(dǎo)致的不均勻程度，為后續(xù)單梁四吊索吊具的設(shè)計(jì)提供參考[1]。

1 吊具方案簡(jiǎn)介及工作原理

1.1 方案簡(jiǎn)介

本文以某型號(hào)四吊索吊具為研究對(duì)象，該吊具采用單鉤起吊，為框架式結(jié)構(gòu)，主要由吊耳、吊梁、連接叉、止動(dòng)銷、前吊帶、后吊帶、前連接板和花蘭螺栓等組成。吊具組成結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 四吊索吊具結(jié)構(gòu)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(guò)吊耳與吊鉤連接，通過(guò)前連接板與被吊產(chǎn)品的前端吊點(diǎn)相連，通過(guò)花蘭螺栓與被吊產(chǎn)品的后端吊點(diǎn)相連。該吊具沿縱向?yàn)榉菍?duì)稱結(jié)構(gòu)。該吊具通過(guò)調(diào)節(jié)花蘭螺栓的長(zhǎng)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(guò)3°，且前高后低。不同吊裝工況下，后吊帶長(zhǎng)度和吊帶在吊梁上的連接位置均不同。

2 動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型及邊界條件

2.1 計(jì)算模型介紹

圖2 吊具計(jì)算模型

計(jì)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(jìn)行建模，其中斜拉吊帶(共四根)型號(hào)為R01-10，額定載荷10 t。前吊索長(zhǎng)度2.595 m，后吊索長(zhǎng)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(jì)算模型中忽略吊具重量。該四吊索吊具等效計(jì)算模型見圖2。

該四吊索吊具在計(jì)算時(shí)對(duì)吊具及被吊產(chǎn)品進(jìn)行如下簡(jiǎn)化[2-4]：

1)吊具上端吊梁通過(guò)吊環(huán)與吊車的吊鉤連接，在吊環(huán)上端中心設(shè)置一個(gè)MARKER點(diǎn)(MARKER點(diǎn)與大地固定連接)， 在吊梁與MARKER點(diǎn)之間建立一個(gè)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(yīng)性轉(zhuǎn)動(dòng)；

2)吊梁兩側(cè)通過(guò)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(jié)構(gòu)件，在吊梁與被吊產(chǎn)品對(duì)應(yīng)連接點(diǎn)之間建立彈簧元件，通過(guò)彈簧元件對(duì)吊帶進(jìn)行模擬；

3)對(duì)被吊產(chǎn)品模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，省略被吊產(chǎn)品上的起吊組件，通過(guò)設(shè)置密度值模擬被吊產(chǎn)品實(shí)際重量，通過(guò)改變被吊產(chǎn)品質(zhì)心的MARKER點(diǎn)在計(jì)算模型中的坐標(biāo)位置模擬其質(zhì)心的偏差量。

2.2 四吊點(diǎn)受力不均勻性影響因素

根據(jù)吊具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，四點(diǎn)受力不均勻的影響因素主要包含吊帶長(zhǎng)度差、吊帶伸長(zhǎng)率、被吊產(chǎn)品質(zhì)心偏差、吊點(diǎn)位置分布等影響因素。

上述影響因素的存在將導(dǎo)致起吊過(guò)程中四吊點(diǎn)受力不均現(xiàn)象，以下通過(guò)使用彈簧對(duì)吊帶進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析對(duì)各影響因素進(jìn)行總結(jié)分析，并與以往計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)吊具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)三個(gè)影響吊索承載不均勻性的主要因素設(shè)置供參考的計(jì)算輸入，具體如表1所示。以下通過(guò)吊具的動(dòng)力學(xué)分析對(duì)各影響因素進(jìn)行分析和總結(jié)[5]。

表1主要影響因素的設(shè)計(jì)輸入值

3 吊具動(dòng)力學(xué)計(jì)算情況

圖3 彈簧位置分布示意圖

以吊具動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，對(duì)各影響因素進(jìn)行分析計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，首先對(duì)其中一根吊帶偏長(zhǎng)的情況進(jìn)行計(jì)算，彈簧位置分布見圖3，圖示位置為俯視位置，對(duì)前左彈簧比其他彈簧偏差0.02 m、0.04 m的情況進(jìn)行計(jì)算，其中被吊產(chǎn)品質(zhì)心位置理論質(zhì)心(無(wú)偏差)[6-7]。

3.1 單根吊索長(zhǎng)度差的影響

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

通過(guò)對(duì)維生素B1缺乏癥的治療以及預(yù)防，減少了動(dòng)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(dòng)物所需的硫胺素，從而達(dá)到預(yù)防和治療的目的。

圖4 理想狀態(tài)受力計(jì)算結(jié)果

圖5 前左吊帶偏長(zhǎng)0.02mm受力計(jì)算結(jié)果示意

如表1所示，在ADAMS模型中，用彈簧代表吊帶進(jìn)行吊具動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算。因?yàn)榈鯉У膶?shí)際伸縮率遠(yuǎn)小于彈簧，所以在設(shè)置彈簧剛度時(shí)，需要將彈簧的剛度設(shè)置成100000 N/m(該剛度值與實(shí)際吊帶的伸長(zhǎng)率相似)。同時(shí)考慮到吊具的不均勻承載是靜力學(xué)過(guò)程，對(duì)吊具進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)采用靜力學(xué)計(jì)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(zhǎng)率的影響

對(duì)前左吊帶偏長(zhǎng)0.02 m、0.04 m的情況分別進(jìn)行計(jì)算，吊帶的伸長(zhǎng)率分別取值5E5 N/m、1E6 N/m、2E6 N/m、5E6 N/m、1E7 N/m。計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況見圖6-圖8。

圖6 前左吊帶偏長(zhǎng)0.02m時(shí)各點(diǎn)受力隨伸長(zhǎng)率 變化對(duì)比

圖7 前左吊帶偏長(zhǎng)0.04m時(shí)各點(diǎn)受力隨伸長(zhǎng)率 變化對(duì)比

圖8 SPRING1偏長(zhǎng)兩種工況受力偏差對(duì)比

通過(guò)對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可得出以下結(jié)論：

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

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

3)該吊具結(jié)構(gòu)形式受吊帶長(zhǎng)度和伸長(zhǎng)率影響均偏小，當(dāng)伸長(zhǎng)率由5E5 N/m增大至1E7 N/m時(shí)，吊點(diǎn)最大受力偏差1000 N；當(dāng)長(zhǎng)度差變化時(shí)，各點(diǎn)受力偏差最大1500 N。根據(jù)上述偏差計(jì)算吊點(diǎn)不均勻系數(shù)最大為1.03。

以上計(jì)算對(duì)吊具四吊點(diǎn)吊帶的長(zhǎng)度和伸長(zhǎng)率影響情況進(jìn)行了分析，后文繼續(xù)對(duì)被吊產(chǎn)品質(zhì)心偏差情況進(jìn)行分析，進(jìn)一步總結(jié)四吊點(diǎn)斜拉起吊的惡劣工況及各吊點(diǎn)受力的不均勻程度。

3.3 被吊產(chǎn)品質(zhì)心偏差的影響

對(duì)被吊產(chǎn)品質(zhì)心偏差進(jìn)行計(jì)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(wù)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(zhǎng)0.04 m為例，對(duì)質(zhì)心偏差(+0.1 m、+0.01 m)、(-0.1 m、+0.01 m)進(jìn)行分析，上述偏差位置比其他質(zhì)心偏差位置對(duì)受力的不均勻性影響最大。上述計(jì)算對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見圖9-圖11。

圖9 前左吊帶偏長(zhǎng)0.04m、質(zhì)心偏差(+0.1、+0.01) 計(jì)算結(jié)果

圖10 前左吊帶偏長(zhǎng)0.04m、質(zhì)心偏差(-0.1、+0.01) 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可得出以下結(jié)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(duì)吊具受力計(jì)算可忽略不計(jì)；

圖11 前左吊帶偏長(zhǎng)0.04m、兩種質(zhì)心偏差載荷對(duì)比

3)考慮質(zhì)心偏差影響時(shí)吊點(diǎn)受力最大偏差4750 N，對(duì)應(yīng)的吊具吊點(diǎn)的不均勻系數(shù)為1.04。

3.4 各因素疊加后的影響

以上計(jì)算僅針對(duì)吊具一個(gè)吊點(diǎn)(前左)長(zhǎng)度存在偏差時(shí)，對(duì)各點(diǎn)受力與對(duì)應(yīng)的影響因素進(jìn)行了分析，而由于吊帶生產(chǎn)時(shí)的長(zhǎng)度差隨機(jī)性、使用裝配時(shí)的位置隨機(jī)性等原因，以下繼續(xù)對(duì)該類型吊具四吊點(diǎn)受力不均勻影響因素和不均勻程度進(jìn)行分析。

由于該四吊索吊具前后吊點(diǎn)的長(zhǎng)度不一致，因此吊具與前述兩種吊具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和承載特性也不一樣，對(duì)吊具的計(jì)算工況應(yīng)進(jìn)行分析和區(qū)分。根據(jù)吊具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以前左吊帶偏長(zhǎng)0.04 m為例，對(duì)質(zhì)心偏差(+0.1、0.01)的情況進(jìn)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(jì)算。

分別對(duì)上述的兩種情況簡(jiǎn)稱為組合一和組合二，對(duì)兩種情況進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算組合一的受力結(jié)果見圖12，組合二在ADAMS計(jì)算時(shí)無(wú)法收斂、無(wú)法靜平衡，即組合二的情況起吊時(shí)產(chǎn)品受力不平衡，無(wú)法順利完成起吊。

通過(guò)對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可得出以下結(jié)論：

1)組合二情況(對(duì)角線上兩點(diǎn)偏長(zhǎng)或偏短)無(wú)法靜平衡，吊具在安裝時(shí)應(yīng)避免對(duì)角兩點(diǎn)都偏長(zhǎng)的情況；

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

圖12 組合一各吊點(diǎn)受力情況

3.5 小結(jié)

通過(guò)使用ADAMS動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)該四吊索吊具進(jìn)行受力分析，可得出以下結(jié)論：

1)單梁四點(diǎn)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(zhǎng)率、吊索長(zhǎng)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?yàn)楸坏醍a(chǎn)品吊索安裝組合位置>吊索長(zhǎng)度差>質(zhì)心位置偏差>吊索伸長(zhǎng)率。其中對(duì)角兩點(diǎn)吊索均偏長(zhǎng)或偏短時(shí)，吊具的受力不能靜平衡，在使用時(shí)應(yīng)避免。

2)根據(jù)吊具計(jì)算結(jié)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(jìn)行計(jì)算分析。

4 結(jié)論

本文從單根吊索長(zhǎng)度差、吊索伸長(zhǎng)率、質(zhì)心偏差和各綜合因素疊加等四個(gè)角度分別進(jìn)行了起吊不均勻性的仿真計(jì)算。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：對(duì)該四吊索吊具，其為框架式單梁四點(diǎn)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(duì)提高起吊均勻性有重要意義。但是吊索的伸長(zhǎng)率特性對(duì)起吊均勻性作業(yè)不大。在各種因素疊加作用下，吊點(diǎn)的不均勻系數(shù)最大不超過(guò)1.04，后期針對(duì)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。