江 晨 毛旦平 李 輝 楊 波 吳偉瀟

工裝·設(shè)備

某航天產(chǎn)品高架試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與分析

江 晨 毛旦平 李 輝 楊 波 吳偉瀟

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

根據(jù)試驗(yàn)需求和設(shè)計(jì)要求，開展了高架試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，為了保證安全性和可靠性的要求，分析機(jī)構(gòu)的靜力平衡和有限元分析兩個(gè)薄弱零件，獲得了兩個(gè)薄弱零件的最大應(yīng)力和最大變形量及最大值出現(xiàn)的位置，結(jié)果表明，兩個(gè)薄弱零件的剛度和強(qiáng)度滿足要求。另外，該裝置的設(shè)計(jì)和分析可為后續(xù)其它類型航天產(chǎn)品高架試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)提供思路。

航天產(chǎn)品；高架試驗(yàn)臺(tái)；有限元分析；剛度；強(qiáng)度

1 引言

航天產(chǎn)品由于其獨(dú)特的性能要求，需要開展各種試驗(yàn)來驗(yàn)證相關(guān)參數(shù)和性能指標(biāo)。因此，需要根據(jù)不同的試驗(yàn)類型和試驗(yàn)要求開展相應(yīng)試驗(yàn)裝置的研究和設(shè)計(jì)。試驗(yàn)裝置的研究設(shè)計(jì)一方面能滿足當(dāng)前航天產(chǎn)品的試驗(yàn)任務(wù)，另一面，也為后續(xù)其它類型航天產(chǎn)品試驗(yàn)裝置的研究設(shè)計(jì)提供思路。

為完成某型號(hào)航天產(chǎn)品的高架試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套高架試驗(yàn)裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品繞某一軸轉(zhuǎn)動(dòng)多角度，且在每個(gè)角度實(shí)現(xiàn)鎖定，便于開展試驗(yàn)，同時(shí)，考慮了產(chǎn)品和裝置一同運(yùn)輸?shù)墓潭?、操作的方便性、安全性等問題。另外，通過機(jī)構(gòu)的靜力平衡分析和有限元分析，校核了轉(zhuǎn)動(dòng)軸和銷軸兩個(gè)薄弱零件。

2 高架試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

在測(cè)試某航天產(chǎn)品的系統(tǒng)功能時(shí)，需測(cè)試其在不同偏轉(zhuǎn)角度下的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，要求試驗(yàn)臺(tái)能滿足多角度轉(zhuǎn)動(dòng)功能，另外，需保證產(chǎn)品安裝在試驗(yàn)裝置上一同長(zhǎng)距離運(yùn)輸。具體要求及參數(shù)見表1。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)及相關(guān)參數(shù)

在滿足上述功能的基礎(chǔ)上，安全可靠性也是本裝置設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)考慮的問題，主要包括：

a. 產(chǎn)品安裝到試驗(yàn)裝置上的穩(wěn)定性，需防止其傾翻；

b. 產(chǎn)品和試驗(yàn)裝置一同運(yùn)輸時(shí)的安全性。

2.2 裝置總體設(shè)計(jì)

圖1 試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)模型

1—產(chǎn)品 2—產(chǎn)品承托座 3—綁帶立柱 4—轉(zhuǎn)動(dòng)立柱；5—產(chǎn)品固定立柱 6—彈簧銷釘結(jié)構(gòu) 7—徑向固定立柱 8—徑向固定板

1—外框架 2—左分度盤 3—固定組件 4—轉(zhuǎn)動(dòng)軸 5—支撐板 6—右分度盤

根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)是一個(gè)左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，主要包括內(nèi)框架結(jié)構(gòu)和外框架結(jié)構(gòu)兩部分。

內(nèi)部、外部框架結(jié)構(gòu)的組成如圖2、圖3所示。內(nèi)框架結(jié)構(gòu)通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸與外框架結(jié)構(gòu)組裝，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置為內(nèi)框架質(zhì)心所在的平面，防止傾翻。

因?yàn)楫a(chǎn)品安裝到試驗(yàn)裝置上后需與試驗(yàn)裝置一同運(yùn)輸，內(nèi)框架結(jié)構(gòu)與外框架結(jié)構(gòu)之間必須固定，同時(shí)需要保證操作的方便性，設(shè)計(jì)了固定組件，如圖4所示。固定塊通過焊接與外框架連接，內(nèi)、外框架固定時(shí)只需將抽動(dòng)塊與內(nèi)框架上的立柱用螺釘連接；內(nèi)、外框架不固定時(shí)，只需擰下固定組件上的螺釘1和螺釘3，同時(shí)稍微松動(dòng)螺釘2，抽出抽動(dòng)塊，即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)框架結(jié)構(gòu)相對(duì)外框架的轉(zhuǎn)動(dòng)。

1—固定塊 2—抽動(dòng)塊 3—螺釘1 4—螺釘2 5—螺釘3

1—銷軸2 2—螺紋套筒 3—彈簧

圖6 右分度盤

試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)框架結(jié)構(gòu)相對(duì)外框架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)到一定角度后，需測(cè)量相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入下一個(gè)角度。因此，在每一個(gè)測(cè)量角度時(shí)，內(nèi)框架結(jié)構(gòu)相對(duì)于外框架結(jié)構(gòu)需要固定，為保證進(jìn)入下一個(gè)角度測(cè)量時(shí)操作的方便性，設(shè)計(jì)了彈簧銷釘結(jié)構(gòu)和分度盤，分別如圖5、圖6所示。螺紋套筒裝彈簧的一端有外螺紋，與產(chǎn)品承托座連接，銷軸插在分度盤對(duì)應(yīng)角度的孔中，需要轉(zhuǎn)動(dòng)角度時(shí)，只需推動(dòng)銷軸，壓縮彈簧，銷軸離開分度盤的孔，同時(shí)，操作者利用徑向固定板上的把手使內(nèi)框架結(jié)構(gòu)相對(duì)外框架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，在進(jìn)入下一個(gè)角度時(shí)，彈簧利用彈力將銷軸推進(jìn)分度盤的孔中，使得內(nèi)、外框結(jié)構(gòu)保持固定。

通過該試驗(yàn)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求中不同角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，不同角度下試驗(yàn)裝置的示意圖如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至各角度示意圖

3 仿真分析

根據(jù)試驗(yàn)過程中內(nèi)、外框架的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及之間的相對(duì)約束關(guān)系，可知轉(zhuǎn)動(dòng)軸和銷軸為該裝置中的薄弱部分，兩者的受力分析如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)動(dòng)軸和銷軸的受力分析

3.1 轉(zhuǎn)動(dòng)軸和銷軸受力分析

表2 轉(zhuǎn)動(dòng)軸受力

表3 銷軸受力

根據(jù)設(shè)計(jì)，在CREO 2.0軟件中構(gòu)建相應(yīng)的零件模型，并根據(jù)它們之間的連接關(guān)系添加約束裝配，進(jìn)入“機(jī)構(gòu)”模塊機(jī)構(gòu)分析靜力平衡[1～5]。得出轉(zhuǎn)動(dòng)軸和銷軸連接處的作用力，分別見表2、表3。

3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)軸和銷軸強(qiáng)度和剛度分析

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)，在CREO 2.0軟件中構(gòu)建相應(yīng)的零件模型，然后進(jìn)入“結(jié)構(gòu)模式”模塊，有限元分析零件的強(qiáng)度和剛度是否滿足要求[6～9]。

轉(zhuǎn)動(dòng)軸和銷軸的材料均為1Cr18Ni9Ti，其抗拉強(qiáng)度為520MPa，設(shè)計(jì)安全系數(shù)取4，許用變形量[]<2mm，則許用應(yīng)力為[10]：

根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的連接關(guān)系，有限元分析時(shí)的邊界條件添加如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)動(dòng)軸邊界條件添加

圖10 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的Mises等效應(yīng)力云圖

圖11 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的變形云圖

轉(zhuǎn)動(dòng)角為0°時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的Mises等效應(yīng)力云圖和變形云圖分別如圖10、圖11所示，從圖中可以看出，該時(shí)刻轉(zhuǎn)動(dòng)軸的最大Mises等效應(yīng)力為100.24MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)動(dòng)軸與外框架的支撐面位置（靠近過內(nèi)側(cè)的支撐面）；最大的變形為0.075mm，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的端部位置。轉(zhuǎn)動(dòng)角為其它角度時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的最大Mises等效應(yīng)力和最大變形見表4。

表4 轉(zhuǎn)動(dòng)軸最大應(yīng)力和變形

綜上，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)軸受到的最大Mises等效應(yīng)力為100.24MPa，最大的變形為0.075mm，兩者均在許用應(yīng)力和許用變形范圍內(nèi)，滿足強(qiáng)度和剛度要求。

根據(jù)銷軸的連接關(guān)系，有限元分析時(shí)的邊界條件添加如圖12所示。

圖12 銷軸邊界條件添加

圖13 銷軸的Von Mises等效應(yīng)力云圖

圖14 銷軸的變形云圖

轉(zhuǎn)動(dòng)角為0°時(shí)銷軸的Mises等效應(yīng)力云圖和變形云圖分別如圖13、圖14所示，從圖中可以看出，該時(shí)刻轉(zhuǎn)動(dòng)軸的最大Mises等效應(yīng)力為17.6MPa，出現(xiàn)在銷軸與螺紋套筒端面接觸的位置；最大的變形為0.0025mm，出現(xiàn)在銷軸的端部位置。

轉(zhuǎn)動(dòng)角為其它角度時(shí)銷軸的最大Mises等效應(yīng)力和最大變形見表5。

表5 銷軸最大應(yīng)力和變形

綜上，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，銷軸受到的最大Mises等效應(yīng)力為26.1MPa，最大的變形為0.0038mm，兩者均在許用應(yīng)力和許用變形范圍內(nèi)，滿足強(qiáng)度和剛度要求。

4 結(jié)束語

a. 開展了高架設(shè)計(jì)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

b. 轉(zhuǎn)動(dòng)軸受到的最大Mises等效應(yīng)力為100.24MPa，最大的變形為0.075mm，滿足強(qiáng)度和剛度要求；

c. 銷軸受到的最大Mises等效應(yīng)力為26.1MPa，最大的變形為0.0038mm，滿足強(qiáng)度和剛度要求；

d. 該裝置的設(shè)計(jì)思路可為后續(xù)其它類型航天產(chǎn)品高架試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)提供思路；

e. 后續(xù)可以從裝置的通用性方面進(jìn)一步優(yōu)化。

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Design and Analysis of A Space Product Elevated Test Device

Jiang Chen Mao Danping Li Hui Yang Bo Wu Weixiao

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

According to the test requirements and design requirements, the structural design of the elevated test device is carried out in this paper. At the same time, in order to ensure the requirements of safety and reliability, the static balance analysis of the mechanism and the finite element analysis of the two weak parts were performed. The maximum stress and maximum deformation and the position where the maximum value occurred of the two weak parts were obtained. The results show that the stiffness and strength of the two weak parts meet the requirements. In addition, the design and analysis of the device can provide ideas for the subsequent design of elevated test devices for other types of aerospace product.

space product；elevated test device；finite element analysis；stiffness；strength

江晨（1992），碩士，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)；研究方向：航天飛行器裝配工藝、航天飛行器結(jié)構(gòu)數(shù)字化仿真。

2020-01-20