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摘 要：由于我国航空航天业发展相对西方发达国家相对较晚，技术水平相对落后，目前大型飞机部件的运输问题并不能自主解决，其运输夹具的设计对国外的依赖程度仍然很高，虽然现阶段我国部分企业可以生产运输夹具，但其对设计的核心技术并没有自主权，这严重制约了我国航空航天业的发展，所以实现大型结构件运输夹具自主创新是我国科技发展的必然选择，本文将针对大型结构件运输夹具的设计方法展开研究。
关键词：大型结构件；运输夹具；动力学建模
前言：大型结构件运输夹具的重要性决定我国针对大型结构件设计的研究长期以来一直持续进行，但由于其设计周期长、反复多，需要大量古典力学和数学知识作支撑，其研究成果一直不太理想，本文结合西方国家的成功经验从动力学模型和系统仿真的角度对设计展开研究。
一、飞机机头运输夹具的可靠性分析
（一）运输夹具的可靠性模型建立
可靠性模型主要指通过构图软件和相关数学计算理论对产品的可靠性进行估算，对于复杂产品建立可靠性框图是可以直接显示其产品各组成部分可能存在的故障，或产品整体出现较严重故障的原因，而相关数学计算只要是对其产品故障逻辑关系进行数字化描述，如图1所示。从产品整体的角度可以将可靠性模型设为基本可靠性模型和任务可靠性模型两种，基本可靠性模型主要指系统发生故障时针对零部件维修或保障进行估算，运输夹具分为前后支撑和底架支撑等几大部分，所以基本可靠性就是针对各部分进行；而任务可靠性主要针对系统整体在进行某项任务的过程中保证所有功能正常发挥作用而进行的估算，以飞机机头夹具为例根据其任务可以划分出不同的可靠性模型，其除了有前后支撑、底架支撑的参与外，连接螺栓、弹簧、塑料板、橡胶板等都要积极发挥作用，所以它在执行某项任务时可靠性模型为串联结构，不可替代[1]。
（二）运输夹具的可靠性分析
可靠性是对产品失效状态进行反应的因素，其不仅反映了产品的整体性能，而且是综合评价产品的一项重要指标，而可靠性分析是在产品并未真正发生故障之前，对其可能存在的风险进行预测，并通过采取有针对性的措施，使存在风险的薄弱环节得到改善，现阶段可靠性分析的方法主要有两种，一种是定性分析法；另一种是定量分析法，定性分析法主要针对系统或产品存在的故障或缺陷进行深入系统的分析，从而对薄弱环节准确定位并通过采取有针对性的措施使其得到缓解或彻底改善；定量分析法相对定性分析法更复杂，要利用统计学和概率论知识对故障产生的离线数据进行整合分析，针对产品可靠性进行。根据可靠性分析的两种方法可以得到关于运输夹具可靠度的两种类别划分，一种是针对故障造成损害的严重程度进行的类别划分，称之为严酷度类别；另一种是针对故障发生时系统内部结构发展变化的幅度进行的类别划分，称之为故障模式影响级别规定，根据两种类型进行FMECA的填写和矩阵严重度分析，通过类别分析可以发现飞机机头前后支撑变形、连接螺栓断裂、支撑弹簧的弹性不足等对夹具的可靠性危害极大，再设计的过程中应该着重对其进行处理[2]。
二、机头-运输夹具-拖车系统的动力学建模与仿真设计
（一）机头—运输夹具—拖车的多刚体动力学建模
现阶段飞机机头的运输夹具主要包括前、后支撑和拉绳，底架支撑，箱子六个部分，利用法国DassaultSystems公司研发的CATIA软件就可以建立机头-运输夹具-拖车的三维数字化造型，利用由美国Mechanical Dynamics Inc公司开发的仿真软件ADAMS对数字化造型进行约束合力施加，在此过程中注意两种软件对IGES文件格式、STEP文件格式等图形转换是共同支持的，在相应环节无需进行跳转式的调整，为实现两种软件之间的数据交换，就需要在数据接口位置使用美国MSC研发的SimDesigner软件，成功将数字化造型导入ADAMS后，就需要通过施加约束合力保证仿真分析的准确性和科学性，所谓约束机构内部两个构件的连接关系，在运动的状态下，两个构建可以保持相对运动状态，ADAMS施加的约束合力通常分为四种类型即基本约束、常用运动副约束、高副约束和驱动，另外ADAMS自身也存在作用力、特殊力、柔性连接力和接触力，不过这四种力对系统自由度并不产生影响，飞机机头与橡胶板之间会产生一种作用力，在ADAMS软件中要通过接触力来实现，如果以平面几何形式接触就称之为2D，例如圆弧、曲线等，如果以实体的形式接触就称之为3D，例如圆柱体、旋转体等，在确定接触类型后要利用碰撞函数对其接触力参数进行计算，例如材料刚度的阻尼属性等，在ADAMS中将飞机机头视为圆柱体，橡胶板视为平面，则两者最初以直线的形式接触，在受力发生弹性变化后，接触形式由直线转化成矩形面，而且矩形面各点的受力并不统一，基本规律与椭圆柱基本雷同，如图2所示。按照赫兹静力弹性接触理论可以计算出在此设定情况下飞机机头与橡胶板之间的接触刚度应该在每毫米2855牛顿力左右[3]。
（二）机头—运输夹具—拖车—路面系统动力学模型动态仿真及结果分析
为了保持运动中相关数据的一致性，假设仿真试验中拖车是匀速运动的，随机路面选择与我国公路路面等级保持一致，在仿真实验中拖车运载着飞机机头和夹具在三种不同等级的路面上匀速行驶，通过计算不同测量点在运动的过程中所受合力均方根，可以发现在信使路面平整度越来越差的情况下，运输夹具各测量点所承受的载荷明显增加，在这种情况下两者呈现出正相关性，而当在A、B级路面上运行过程中夹具其各测量点的变化却明显减弱，在C级路况中夹具测量点的载荷却明显加大，所以大型夹具运输的路面选择要根据实际情况进行有针对性的设计[4]。
三、运输夹具关键零部件的有限元分析
（一）前支撑主体的应力及变形分析
利用CATIA软件对飞机机头前支撑实体模型的三维造型进行处理，对于其模型中所涉及的细小尺寸、尖角、小圆孔等进行简化，保证CATIA软件能够对三维图像进行网格划分，在此基础上利用ANSYS Workbench软件创造协同仿真环境，进行异型处理，例如设置杨氏模量值为每平方米2e+011牛顿力，泊松比为0.268，密度定位每立方米7850千克，并且假设飞机机头的前支撑与弹簧的连接位置受全约束，以C级路面作为运动行驶路面，就可以计算出塑料板与前支撑主体不同接触处同方向上的载荷值，通过计算可以发现其接触处最大位移也只有1.5mm左右，由此可见飞机机头的前支撑主体对自身的变形能力限制非常严格，这在一定程度上也验证了飞机机头的强度安全性。后支撑主体的应力及变形分析与后支撑末端的应力及变形分析采取与前支撑力主体应力及变形分析一致的方法，在此不进行重复阐述[5]。
（二）连接螺栓的强度计算
以C级路面行驶过程中连接螺栓所受力为例进行分析，如果设定连接螺栓材质为17-4PH不锈钢，就可以通过计算得出其安全系数为9.3，满足设计的要求，说明其在运动的过程中具有足够的强度，其螺栓的可靠性同样是比较高的。
结论：在积极利用模型构建和仿真设置软件的基础上，对飞机机头的结构件运输夹具进行了相关分析和设计，可以发现在设计的过程中要集合大量的力学和数学计算原理，任何一个环节出现错误都会直接影响到设计的可行性，通过对运输夹具可靠性进行针对性分析，可以发现加工制造、材质、热处理情况等都可能影响到运输夹具的可靠性，所以要在进行大结构运输夹具设计需要大量的实验和分析，不能急于求成。
参考文献
[1]陈晔.大型结构件运输夹具的设计方法研究[D].天津：天津大学，2012.
[2]张贤凯.大型薄壁件运输夹具的设计方法研究[D].天津：天津大学，2010.
[3]陈雪凯.大型结构件运输夹具的检测技术研究[D].天津：天津大学，2011.
[4]白永超.大型结构件运输夹具误差建模与分析[D]，天津：天津大学.2010.
[5]刘博.大型结构件的逆向设计方法研究[D].长春：长春理工大学，2013.
关键词：大型结构件；运输夹具；动力学建模
前言：大型结构件运输夹具的重要性决定我国针对大型结构件设计的研究长期以来一直持续进行，但由于其设计周期长、反复多，需要大量古典力学和数学知识作支撑，其研究成果一直不太理想，本文结合西方国家的成功经验从动力学模型和系统仿真的角度对设计展开研究。
一、飞机机头运输夹具的可靠性分析
（一）运输夹具的可靠性模型建立
可靠性模型主要指通过构图软件和相关数学计算理论对产品的可靠性进行估算，对于复杂产品建立可靠性框图是可以直接显示其产品各组成部分可能存在的故障，或产品整体出现较严重故障的原因，而相关数学计算只要是对其产品故障逻辑关系进行数字化描述，如图1所示。从产品整体的角度可以将可靠性模型设为基本可靠性模型和任务可靠性模型两种，基本可靠性模型主要指系统发生故障时针对零部件维修或保障进行估算，运输夹具分为前后支撑和底架支撑等几大部分，所以基本可靠性就是针对各部分进行；而任务可靠性主要针对系统整体在进行某项任务的过程中保证所有功能正常发挥作用而进行的估算，以飞机机头夹具为例根据其任务可以划分出不同的可靠性模型，其除了有前后支撑、底架支撑的参与外，连接螺栓、弹簧、塑料板、橡胶板等都要积极发挥作用，所以它在执行某项任务时可靠性模型为串联结构，不可替代[1]。
（二）运输夹具的可靠性分析
可靠性是对产品失效状态进行反应的因素，其不仅反映了产品的整体性能，而且是综合评价产品的一项重要指标，而可靠性分析是在产品并未真正发生故障之前，对其可能存在的风险进行预测，并通过采取有针对性的措施，使存在风险的薄弱环节得到改善，现阶段可靠性分析的方法主要有两种，一种是定性分析法；另一种是定量分析法，定性分析法主要针对系统或产品存在的故障或缺陷进行深入系统的分析，从而对薄弱环节准确定位并通过采取有针对性的措施使其得到缓解或彻底改善；定量分析法相对定性分析法更复杂，要利用统计学和概率论知识对故障产生的离线数据进行整合分析，针对产品可靠性进行。根据可靠性分析的两种方法可以得到关于运输夹具可靠度的两种类别划分，一种是针对故障造成损害的严重程度进行的类别划分，称之为严酷度类别；另一种是针对故障发生时系统内部结构发展变化的幅度进行的类别划分，称之为故障模式影响级别规定，根据两种类型进行FMECA的填写和矩阵严重度分析，通过类别分析可以发现飞机机头前后支撑变形、连接螺栓断裂、支撑弹簧的弹性不足等对夹具的可靠性危害极大，再设计的过程中应该着重对其进行处理[2]。
二、机头-运输夹具-拖车系统的动力学建模与仿真设计
（一）机头—运输夹具—拖车的多刚体动力学建模
现阶段飞机机头的运输夹具主要包括前、后支撑和拉绳，底架支撑，箱子六个部分，利用法国DassaultSystems公司研发的CATIA软件就可以建立机头-运输夹具-拖车的三维数字化造型，利用由美国Mechanical Dynamics Inc公司开发的仿真软件ADAMS对数字化造型进行约束合力施加，在此过程中注意两种软件对IGES文件格式、STEP文件格式等图形转换是共同支持的，在相应环节无需进行跳转式的调整，为实现两种软件之间的数据交换，就需要在数据接口位置使用美国MSC研发的SimDesigner软件，成功将数字化造型导入ADAMS后，就需要通过施加约束合力保证仿真分析的准确性和科学性，所谓约束机构内部两个构件的连接关系，在运动的状态下，两个构建可以保持相对运动状态，ADAMS施加的约束合力通常分为四种类型即基本约束、常用运动副约束、高副约束和驱动，另外ADAMS自身也存在作用力、特殊力、柔性连接力和接触力，不过这四种力对系统自由度并不产生影响，飞机机头与橡胶板之间会产生一种作用力，在ADAMS软件中要通过接触力来实现，如果以平面几何形式接触就称之为2D，例如圆弧、曲线等，如果以实体的形式接触就称之为3D，例如圆柱体、旋转体等，在确定接触类型后要利用碰撞函数对其接触力参数进行计算，例如材料刚度的阻尼属性等，在ADAMS中将飞机机头视为圆柱体，橡胶板视为平面，则两者最初以直线的形式接触，在受力发生弹性变化后，接触形式由直线转化成矩形面，而且矩形面各点的受力并不统一，基本规律与椭圆柱基本雷同，如图2所示。按照赫兹静力弹性接触理论可以计算出在此设定情况下飞机机头与橡胶板之间的接触刚度应该在每毫米2855牛顿力左右[3]。
（二）机头—运输夹具—拖车—路面系统动力学模型动态仿真及结果分析
为了保持运动中相关数据的一致性，假设仿真试验中拖车是匀速运动的，随机路面选择与我国公路路面等级保持一致，在仿真实验中拖车运载着飞机机头和夹具在三种不同等级的路面上匀速行驶，通过计算不同测量点在运动的过程中所受合力均方根，可以发现在信使路面平整度越来越差的情况下，运输夹具各测量点所承受的载荷明显增加，在这种情况下两者呈现出正相关性，而当在A、B级路面上运行过程中夹具其各测量点的变化却明显减弱，在C级路况中夹具测量点的载荷却明显加大，所以大型夹具运输的路面选择要根据实际情况进行有针对性的设计[4]。
三、运输夹具关键零部件的有限元分析
（一）前支撑主体的应力及变形分析
利用CATIA软件对飞机机头前支撑实体模型的三维造型进行处理，对于其模型中所涉及的细小尺寸、尖角、小圆孔等进行简化，保证CATIA软件能够对三维图像进行网格划分，在此基础上利用ANSYS Workbench软件创造协同仿真环境，进行异型处理，例如设置杨氏模量值为每平方米2e+011牛顿力，泊松比为0.268，密度定位每立方米7850千克，并且假设飞机机头的前支撑与弹簧的连接位置受全约束，以C级路面作为运动行驶路面，就可以计算出塑料板与前支撑主体不同接触处同方向上的载荷值，通过计算可以发现其接触处最大位移也只有1.5mm左右，由此可见飞机机头的前支撑主体对自身的变形能力限制非常严格，这在一定程度上也验证了飞机机头的强度安全性。后支撑主体的应力及变形分析与后支撑末端的应力及变形分析采取与前支撑力主体应力及变形分析一致的方法，在此不进行重复阐述[5]。
（二）连接螺栓的强度计算
以C级路面行驶过程中连接螺栓所受力为例进行分析，如果设定连接螺栓材质为17-4PH不锈钢，就可以通过计算得出其安全系数为9.3，满足设计的要求，说明其在运动的过程中具有足够的强度，其螺栓的可靠性同样是比较高的。
结论：在积极利用模型构建和仿真设置软件的基础上，对飞机机头的结构件运输夹具进行了相关分析和设计，可以发现在设计的过程中要集合大量的力学和数学计算原理，任何一个环节出现错误都会直接影响到设计的可行性，通过对运输夹具可靠性进行针对性分析，可以发现加工制造、材质、热处理情况等都可能影响到运输夹具的可靠性，所以要在进行大结构运输夹具设计需要大量的实验和分析，不能急于求成。
参考文献
[1]陈晔.大型结构件运输夹具的设计方法研究[D].天津：天津大学，2012.
[2]张贤凯.大型薄壁件运输夹具的设计方法研究[D].天津：天津大学，2010.
[3]陈雪凯.大型结构件运输夹具的检测技术研究[D].天津：天津大学，2011.
[4]白永超.大型结构件运输夹具误差建模与分析[D]，天津：天津大学.2010.
[5]刘博.大型结构件的逆向设计方法研究[D].长春：长春理工大学，2013.