連接件加載試驗裝置結構設計和有限元分析

李 青 崔衛則 崔衛國 王江勇 邱紅亮 陳 霞 劉慧芬 鄭娜娜

連接件加載試驗裝置結構設計和有限元分析

李 青 崔衛則 崔衛國 王江勇 邱紅亮 陳 霞 劉慧芬 鄭娜娜

（山西航天清華裝備有限責任公司，長治 046012）

某連接件是筒體部件的重要組成部分，通過對連接件受力和使用工作狀態進行分析和研究，設計出合理的專用試驗裝置。利用三維建模軟件對加載裝置實體建模，并對加載裝置關鍵零組件進行有限元分析，實現加載裝置的優化設計。分析結果表明，連接件加載狀態符合實際使用狀態，油缸加載載荷模擬實際載荷，連接件的強度得到了保證，為筒體部件在鐵路運輸提供了安全保障。

連接件；加載試驗；有限元分析

1 引言

大型筒體部件在鐵路平車上運輸時，若筒體部件和鐵路運輸車不進行連接，由于上坡、下坡、陡路等復雜路況，筒體部件會發生一定的軸向滑動與徑向滾動，這無疑影響發射筒的質量，存在著很大的安全隱患。連接件作為筒體部件支架上的一個部件，用于運輸時對筒體部件和鐵路運輸車進行連接，對防止筒體部件發生軸向滑動與徑向滾動起到了一定的作用。因此連接件的強度需要達到一定的安全值，否則會造成嚴重的后果。

2 部件組成結構分析

圖1 連接件三維模型圖

連接件三維模型圖如圖1所示，其結構包括連接叉和側向拉環，側向拉環上涂樂泰粘接膠后裝配在連接叉上。鐵路運輸時，先將支撐架按要求放置在鐵路平板上，再將筒體部件吊裝在支撐架上，用壓板、擋塊及扒釘對支撐架進行拴固限位。待筒體部件就位后，一端在連接叉的銷孔處用止動銷與筒體部件吊耳連接并鎖緊，一端將緊固鏈兩端分別與連接件上的側向拉環和鐵路栓固點連接，用張緊器將多余的鏈環甩開，旋轉張緊器的棘輪把手，將緊固鏈拉緊，緊固鏈與鐵路車接觸處用毛氈進行防護，避免損壞鏈環。

圖2所示為連接件的工作狀態圖，可以看出在使用時連接件的側向拉環處于一定的空間角度，側向拉環一側與豎直方向角度為22°，另一側與豎直方向角度為21°。連接件的受力為一空間力，其強度直接關系到筒體部件能否安全運輸。連接件加工數量多，加工工序多，受力復雜，其強度直接影響到產品的質量，因此有必要對連接件加載試驗方法進行研究。

圖2 連接件工作狀態圖

圖3所示為連接件上連接叉的三維模型圖，利用連接叉中間一平面與筒體部件上吊耳一平面進行接觸，由于為面接觸，此方法有效控制了筒體部件在鐵路運輸車上的軸向滑動與徑向滾動。

圖3 連接叉三維模型圖

3 加載試驗裝置結構組成

根據連接件的實際工作狀態（圖2），設計出連接件加載試驗裝置，如圖4所示，該裝置主要由標準梁1、標準梁2、連接座、銷軸、卸扣、連接板1、連接板2、支腿油缸、支座等組成。連接座與標準梁之間用螺栓連接，連接件與連接座通過銷軸連接，連接件、卸扣、支腿油缸之間通過連接板1、連接板2用銷軸連接，支腿油缸與支座之間用銷軸連接，支座與標準梁通過螺栓連接。

該試驗裝置中標準梁呈對稱布置，受力比較均勻，主要受拉應力。連接件與標準梁連接時螺栓處于豎直狀態，油缸的布置為豎直狀態，在油缸打壓時，油缸對連接件有一垂直向下的力，此時螺栓主要受拉應力，彎矩力可忽略不計。支腿油缸處于豎直狀態，油缸工作狀態相對比較穩定，另外工廠現已有標準梁和支腿油缸以及空間較大的試驗工房，可以滿足加載試驗的需要。

圖4 加載試驗裝置結構圖

4 關鍵零部件設計

4.1 連接座設計

連接座用于連接標準梁和產品連接件，是主要的受力部件。由于試驗要求連接件加載方向要保證如圖2所示的工藝尺寸角度，總方案中油缸打壓方向為豎直方向，而工藝尺寸需保證連接件處于22°，因此在設計連接座時需要一種方法將連接件加載時旋轉一個角度22°，使其處于豎直狀態。

圖5為連接座三維模型圖，連接座由底座和支耳組成，從圖中可以看出有兩個銷孔，其中銷孔1的銷軸用于連接座與連接件相連接，銷孔2的銷軸用于支撐連接件銷孔處的斜面，防止連接件在加載受力時轉動。如圖6所示為連接座和連接件裝配圖，裝配后連接件與連接座的接觸面與豎直方向呈22°，側向拉環為豎直狀態。連接座結構為焊接件，結構相對簡單，焊后加工比較容易[1]。

圖5 連接座三維模型圖

圖6 連接座和連接件裝配圖

4.2 銷軸設計

銷軸的結構形式設計如圖7所示，材料選用45鋼，并進行調質和氧化處理[2，3]。在加載時銷軸是主要的受力件，熱處理要求為HRC30～35，對應的抗拉強度為1039MPa。

圖7 銷軸

4.3 支座設計

支座的結構形式設計如圖8所示，由底座和連接耳組成，材料均選用Q345A，底座用于和標準梁連接，連接耳銷孔處用銷軸與支腿油缸支耳連接。

圖8 支座三維模型圖

5 關鍵零部件的有限元分析

5.1 連接座強度校核

對連接座進行有限元仿真計算，仿真軟件為Ansysworkbench13.0，以連接座為研究對象，以連接座銷孔O為受力點，其受力簡圖如圖9所示。

圖9 連接座受力簡圖

由力矩平衡×1=×2，==4000×10N=40000N，可以得出=58095N。

圖10 連接座應力云圖

將施加于連接座銷孔處，其有限元應力分析結果如圖10所示，可以看出連接座最大應力為68.3MPa，小于材料的許用應力，符合要求。為防止連接座變形過大，導致連接件滑脫，分析了連接座的變形，如圖11所示，可以看出連接座最大變形量為0.097mm，符合要求。

圖11 連接座變形圖

5.2 銷軸強度校核

圖12 銷軸受力圖

銷軸在連接件加載試驗中起連接銷孔的作用，其連接方式如圖12所示。可以看出銷軸主要受剪切力，其剪切力為：

經計算，銷軸強度符合要求。

5.3 支座強度校核

對支座進行有限元仿真計算，仿真軟件為Ansysworkbench13.0[4]，以支座為研究對象，以支座銷孔O為受力點，其受力為=40000N。

圖13 支座應力云圖

將施加于支座銷孔處，其有限元應力分析結果如圖13所示，可以看出支座最大應力為73MPa，小于材料的許用應力，符合要求。為防止支座變形過大，導致連接件滑脫，分析了支座的變形，如圖14所示，可以看出支座最大變形量為0.032mm，符合要求。

圖14 支座變形圖

6 結束語

本文根據連接件受力和使用工作狀態設計了連接件加載實驗裝置，并用有限元分析軟件Workbench對試驗裝置關鍵零部件進行了強度校核。該試驗裝置中連接件加載狀態符合實際使用工作狀態，油缸加載載荷模擬實際載荷，連接件的強度得到了保證，為筒體部件在鐵路運輸中提供了安全保障，同時該試驗裝置為相似結構件的加載試驗提供了設計思路。

1 付永忠. Solid Edge零件設計教程[M]. 北京：北京希望出版社，2002

2 成大先. 機械設計手冊[M]. 出版地：化學工業出版社，2002

3 孫志禮. 機械設計[M]. 東北大學出版社，2011

4 龔曙光. Ansys工程應用實例解析[M]. 出版地：機械工業出版社，2003

Structural Design and Finite Element Analysis of Connector Loading Test Device

Li Qing Cui Weize Cui Weiguo Wang Jiangyong Qiu Hongliang Chen Xia Liu Huifen Zheng Nana

(Shanxi Aerospace Eguipment Co., Ltd., Changzhi 046012)

The connector is an important part of the cylinder parts. Through the analysis and reseach of the force and working condition of the connector, a reasonable special test device is designed. The 3D modeling software is used to model the loading device solid, and the key parts of the loading device are analyzed by finite element to realize the optimal design of the loading device. The results show that the loading state of the connector is consistent with the actual use state, the cylinder load simulates the actual load and the strength of the connector is guaranteed, which provides the safety guarantee for the transportation of the cyclinder parts in the railway.

connector；loading test；finite element analysis

李青（1987），工程師，機械設計及理論專業；研究方向：工藝裝備及非標設備的設計與研究。

2019-06-05