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硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 MASTER’S DISSERTATION 论文题目立式总装封箱环缝焊接自动折展撑紧 装置的设计与分析 作者姓名侯家兵 学位类别工程硕士 指导教师赵静一 教授 2021 年年 5 月月 中图分类号V421.33学校代码10216 UDC621密 级公开 工工程程硕士学位论文硕士学位论文 工程设计型 立式总装封箱环缝焊接自动折展撑紧 装置的设计与分析 硕 士 研 究 生侯家兵 导师赵静一 教授 副导师王志峰 高级工程师 申请学位工程硕士 工程领域机械工程 所属学院机械工程学院 答辩日期2021 年 5 月 授 予 学 位 单 位燕山大学 ADissertation in Mechanical Engineering DESIGN AND ANALYSIS OF AN AUTOMCATIC FOLDING AND TENSIONING DEVICE FOR FUEL TANK’S CLOSED GIRTH WELDING IN THE VERTICAL ASSEMBLY by Hou Jiabing Supervisor Professor Zhao Jingyi Yanshan University May, 2021 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明此处所提交的硕士学位论文立式总装封箱环缝焊接自动折展 撑紧装置的设计与分析，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过 的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字日期2021年 5 月 25 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 立式总装封箱环缝焊接自动折展撑紧装置的设计与分析系本人在燕山大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕山大学关 于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电 子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它 复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密□，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密☑。 请在以上相应方框内打“√” 作者签名日期2021 年 5 月 25 日 导师签名日期2021 年 5 月 25 日 摘要 - I - 摘要 搅拌摩擦焊因其优异的技术特点在航空航天领域得到极大的应用，但焊接过程 中需要相应的内撑外压辅助工装。我国现已成熟掌握 3.35m 级贮箱的生产技术，采 用卧式总装工艺，在实现最后一道封箱环缝焊接时，需要技术人员通过人孔进入贮 箱内部安装内撑装置，操作极其不便且费时费力。新一代 5m 级运载火箭推进剂贮箱 直径大且壁板较薄，在卧式装配水平放置时会产生严重的自重变形，传统的手工拆 卸内撑装置已不再适用。 本文针对立式总装封箱环缝焊接，设计了一种具备自动折展撑紧功能的辅助工 装。首先根据设计要求，并综合国内外现有内撑装置的使用现状，完成自动折展撑 紧装置的结构设计，将其分为中心立柱、校形展开机构、支撑平台三个部分，介绍 其具体细节和设计依据，使用三维建模软件进行展示，并对螺旋升降机、液压缸等 关键部件进行选型；之后利用复数矢量法建立两个展开机构的正运动学模型，设定 原动件运动规律，绘制机构运动简图，得到输出构件的运动特性曲线，将该公式曲 线与 ADAMS 软件运动仿真得到的运动曲线进行比较，得到相对符合真实运动情况 的运动特性； 最后在有限元软件 ANSYS Workbench 中对内撑装置的校形要求和受力 情况进行分析，搅拌摩擦焊对工件有严格的并缝错位要求，需要内撑装置在展开过 程中对贮箱箱底和筒段强制校形，且搅拌头在顶入工件内部时会产生巨大的顶锻力， 影响装置的支撑强度和稳定性，需要校核内撑装置在这两个情况下的受力和位移状 态。 本文的研究成果完成了自动折展撑紧装置的结构设计、运动学特性分析和静力 学分析，为立式总装封箱环缝焊接提供了一种全新的辅助工装。 关键词运载火箭贮箱；搅拌摩擦焊；折展撑紧装置；运动学分析；静力学分析 燕山大学工程硕士学位论文 - II - Abstract - III - Abstract Friction stir welding has been widely used in the aerospace field due to its excellent technical characteristics, but the corresponding internal support and external pressure auxiliary tooling is required during the welding process. Our country has matured the production technology of 3.35m-class fuel tanks. It adopts the horizontal assembly process. When realizing the last closed girth welding, technicians are required to enter the fuel tank through the manhole to install the internal support device, which is extremely inconvenient and time-consuming. The new generation of 5m-class launch rocket propellant fuel tank has a large diameter and thin wall panels, which will cause serious dead weight deation when placed horizontally in a horizontal assembly. The traditional manual disassembly of the internal support device is no longer applicable. In this paper, an auxiliary tooling with automatic folding and tensioning device is designed for fuel tank’closed girth welding in the vertical assembly. First of all, according to the design requirements and the current status of the use of existing internal support devices at home and abroad, the structure design of the automatic folding and tensioning device is completed. It is divided into three parts the central column, the unfolding organization, and the support plat, and the details are introduced. The details and design basis are displayed using three-dimensional modeling software, and the key components such as screw jacks and hydraulic cylinders are selected; then the positive kinematics models of the two unfolding organizations are established using the complex vector , and the motion law of the original moving parts is set, Draw the mechanism motion diagram, obtain the motion characteristic curve of the output member, compare the ula curve with the motion curve obtained by the ADAMS software motion simulation, and obtain the motion characteristics that are relatively in line with the real motion situation; finally, the finite element software ANSYS Workbench Analyze the shape requirements and stress conditions of the internal support device. Friction stir welding has strict requirements on the parallel seam and dislocation of the workpiece. The internal support device needs to compulsorily adjust the shape of the bottom of the fuel 燕山大学工程硕士学位论文 - IV - tank and the cylinder section during the unfolding process, and the stirring head is in When it is pushed into the interior of the workpiece, it will produce a huge upsetting force, which will affect the support strength and stability of the device. It is necessary to check the force and displacement state of the inner support device under these two conditions. The research results of this paper have completed the structural design, kinematics analysis and statics analysis of the automatic folding and tensioning device, and provided a new auxiliary tooling for fuel tank’closed girth welding in the vertical assembly. Keywords launch vehicle fuel tank; friction stir welding; folding and tensioning device; kinetic analysis ; static analysis 目录 - V - 目录 摘要....................................................................................................................................I Abstract................................................................................................................................III 第 1 章 绪论.....................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义.......................................................................................................1 1.2 国内外研究现状.......................................................................................................3 1.2.1 国内外贮箱封箱环缝焊接内撑装置研究现状.................................................3 1.2.2 机构运动学研究综述.........................................................................................7 1.3 课题的主要研究内容...............................................................................................9 第 2 章 折展撑紧装置的结构设计...................................................................................11 2.1 设计要求.................................................................................................................11 2.2 折展撑紧装置的详细结构设计.............................................................................13 2.2.1 折展撑紧装置的整体构造...............................................................................13 2.2.2 折展撑紧装置的工作流程...............................................................................14 2.2.3 中心立柱的设计...............................................................................................17 2.2.4 校形展开机构的设计.......................................................................................19 2.2.5 支撑平台的设计...............................................................................................23 2.3 本章小结.................................................................................................................26 第 3 章 折展撑紧装置的运动学分析...............................................................................27 3.1 推进组件展开的正运动学分析.............................................................................27 3.1.1 位置分析...........................................................................................................28 3.1.2 速度分析...........................................................................................................31 3.1.3 加速度分析.......................................................................................................32 3.2 校形机构展开的正运动学分析.............................................................................33 3.2.1 第一步展开动作运动分析...............................................................................33 3.2.2 第二步展开动作运动分析...............................................................................35 3.3ADAMS 运动仿真分析...........................................................................................37 3.3.1ADAMS 仿真软件简介.....................................................................................37 3.3.2 推进组件展开的运动学仿真...........................................................................38 3.3.3 校形机构展开的运动学仿真...........................................................................39 3.4 本章小结.................................................................................................................42 第 4 章 折展撑紧装置的校形要求与静力学分析...........................................................44 4.1 有限元分析概述.....................................................................................................44 燕山大学工程硕士学位论文 - VI - 4.2 有限元模型的简化原则.........................................................................................45 4.3 折展撑紧装置的校形要求.....................................................................................46 4.3.1 搅拌摩擦焊的技术特点...................................................................................46 4.3.2 贮箱箱底和筒段的几何参数...........................................................................47 4.3.3 贮箱箱底和筒段的校形位移分析...................................................................48 4.4 折展撑紧装置的静力学分析.................................................................................50 4.4.1 折展撑紧装置的顶锻力校核...........................................................................51 4.4.2 折展撑紧装置的结构优化...............................................................................53 4.5 本章小结.................................................................................................................55 结论.................................................................................................................................56 参考文献.............................................................................................................................58 攻读硕士期间承担的科研任务与主要成果.....................................................................61 致谢.................................................................................................................................62 第 1 章 绪论 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及意义 当今时代，航天工业技术水平是衡量一个国家综合国力的具体体现，不断追求 的精神品质刺激着人类向更广阔的天空发展。航空航天作为新时代的技术前沿领域 更是受到了多方面的广泛关注。运载火箭作为航空航天的技术基础和具体工具，直 接影响了一个国家空间技术的发展[1]。我国很早就开始重视航空航天领域，通过多 年的发展，不断升级的长征火箭在多个领域已经取得了显著的成果，中国的运载火 箭能力奋起直追步入世界领先行列，不断技术突破、更新换代的运载火箭，带领着 中国人民向宇宙更深处探索[2]。 长征系列运载火箭的发展主要经历了 5 个阶段， 现阶段的目标是生产安全环保、 适应性强、能快速反应的运载火箭。以图 1-1 某型号运载火箭为例，运载火箭主要 由制导与控制系统有效载荷以及动力系统组成，动力系统由贮箱储存燃料提供动 力[3]。火箭燃料贮箱的结构如图 1-2 所示，贮箱重量约占火箭总重的50，贮箱整 体由前底组合件、筒段、后底组合件焊接而成，前底组合件、后底组合件由顶盖、 瓜瓣、叉形环三部分拼焊形成，统称为箱底，贮箱筒段由弧形壁板通过纵缝焊接组 成。贮箱的生产技术决定着运载火箭的发射条件及载重能力[4]。 图 1-1 运载火箭结构整体示意图图 1-2 火箭燃料贮箱整体结构图 燕山大学工程硕士学位论文 - 2 - 我国现已成熟掌握 3.35m 直径贮箱的生产技术，但随着发射目标的不断提高， 火箭动力系统与载重能力的要求也逐步提升，我国最为先进的长征 5 号运载火箭已 逐步开始使用 5m 级贮箱。但现阶段，5m 级贮箱仍采用传统的贮箱生产工艺， 通过 搅拌摩擦焊将前底组合件、筒段、后底组合件组合拼焊而成。搅拌摩擦焊是一种绿 色环保、不需要焊料、可直接焊透、能自动化机械焊接的固相焊接革新技术，搅拌 摩擦焊形成的焊缝平滑稳定、热影响区较小，在航空航天、军工新能源领域得到了 极大的应用。但搅拌摩擦焊焊接时顶锻力较大，对焊接工装要求较高，所以在焊接 时需要采用内撑、外压装置，以保持工件的稳定不变形[5]。现阶段 3.35m 贮箱整体 采用卧式焊接，如图 1-3 所示，先在工装上固定前底组合件，之后将第一个筒段通 过内撑外压装置固定在工装上，在大行程移动底座带动下通过搅拌摩擦焊工装进行 环缝焊接，之后依次焊接其余筒段。对于贮箱后底与筒段的封箱焊接环节，是使用 可拆卸的环缝内撑装置，在封箱焊接结束后技术人员通过箱底 500mm 的人孔钻入 贮箱内部进行人工拆卸[6]。从现有的技术角度看来，整个拆卸过程费时费力，严重 影响焊接校形的精确度，需要技术人员具有很高的操作经验，并且在安装过程中还 会对贮箱内壁产生刮擦、划碰等损伤，存在一系列的安全隐患。 图 1-3 贮箱卧式装配百度图片 第 1 章 绪论 - 3 - 随着运载火箭型号与运载能力的不断提高，贮箱直径也不断增大，在大尺寸贮 箱焊接过程中，传统的卧式焊接会导致贮箱在水平放置时产生严重的自重变形，所 以需要开发出一套新的立式总装焊接方案。但随之出现了另一个问题，立式总装过 程中，箱底前后的两个人孔变成竖直放置，技术人员通过人孔进入贮箱内部拆卸内 撑的方案变得不再适用。因此，迫切需要设计一种新的能通过 500mm 人孔进入贮 箱、全自动展开收紧、能实现内撑功能的装置。 本文针对新一代贮箱立式总装方案，设计一种新型全自动内撑装置，可以充分 考虑焊接时的自动折展和校形要求， 用来满足封箱环缝焊接搅拌摩擦焊的使用条件。 其次，建立机构运动学模型，对自动折展内撑装置的机构运动学进行分析，通过运 动参数的计算来验证全自动展开过程所需要的的时间及运动关系。最后，分析工作 状态时内撑以及箱底、筒段的工作性能要求，对内撑装置进行强度校核，判断受力 薄弱点并进行结构优化。 本课题来源于实习期间北京九天行歌航天科技有限公司的实际项目，针对 5m 级贮箱开发出一套全新的立式总装方案，并设计相应的内撑外压、龙门铣焊、旋压 卷板等工装。 1.2 国内外研究现状 展开机构的设计是一个循序渐进并参照现有装置不断归纳、总结的过程，需要 结合大量资料并最终定下设计方案。本节首先分析国内外多种贮箱封箱环缝焊接折 展撑紧装置，讨论其展开方式与优缺点，借鉴合理的展开方式；随后整合机构运动 学的相关国内外研究现状，通过运动学建模的相关理论基础，结合其设计结构和设 计思路来完成自身内撑装置的设计。 本文针对自身课题搜集多方面国内外研究现状， 总结后如下。 1.2.1 国内外贮箱封箱环缝焊接内撑装置研究现状 我国现已能成熟生产 3.35m 级贮箱，贮箱各部段环缝全部采用搅拌摩擦焊，整 体卧式装配焊接工装如图 1-4 所示，由大行程移动底座、箱底夹具、搅拌摩擦焊工 装、内撑外压回转夹具、燃料贮箱部段等组成，在封箱环缝焊接阶段过程如下 1箱底夹具和焊接完成的燃料贮箱部段通过移动底座移动到合适位置，分置于 燕山大学工程硕士学位论文 - 4 - 搅拌摩擦焊工装两侧，将贮箱箱底吊装至箱底夹具上方并夹紧固定； 2技术人员将可拆卸内撑装置通过手工方式安装于贮箱部段， 安装工程如图 1-5 所示； 3通过大移动行程底座带动箱底夹具向贮箱部段靠拢，精准定位箱底与筒段焊 接区域正对齐搅拌摩擦焊搅拌头； 4工人通过箱底的 500mm 人孔进入贮箱内部， 将内撑装置移动到搅拌摩擦焊焊 接位置，并与外部的外压回转夹具精准定位，保持径向位置一致； 5封箱环缝搅拌摩擦焊焊接完成后，工人通过人孔进入贮箱内部，手工拆卸内 撑装置，并将离散的杆件和连接接头带出贮箱； 6外压夹具松开，箱底夹具释放箱底，大移动行程底座带动焊接完成的完整贮 箱移动到合适位置，天车吊离贮箱进行下一步装配。 图 1-4 贮箱卧式装配焊接工装百度图片 国内目前在 3.35m 级贮箱装配过程中所使用的可拆卸内撑装置如图 1-6 所示， 整个装置由单个的离散杆件和连接接头拼装而成，共同组成内、外支撑环结构，整 体质量较轻、刚性较好，能很好的完成搅拌摩擦焊的内撑作用[7]。但其整个过程周 期较长，组成内撑的每一个零件通过螺纹销和丝杠丝母进行连接，操作人员首先需 要将各个离散的杆件搬运进贮箱内部，在贮箱内部进行内撑装置的安装和拆卸花费 的时间过长，费时费力，且过程中还有可能对贮箱内部产生刮擦、划碰等损伤，产 第 1 章 绪论 - 5 - 生的多余物严重影响贮箱内部多余物控制要求。 图 1-5 卧式装配可拆卸内撑装置图 1-6 可拆卸贮箱封箱环缝内撑装置 2016 年上海交通大学王皓教授团队在 973 项目中， 为解决贮箱环缝焊接过程中 使用手工内撑装置的问题，开发了一整套新式立式总装方案，并且充分利用空间展 开原理，设计了一种 3.35m 级贮箱封闭环缝焊接内撑折展夹具[8]，如图 1-7 所示， 其主要工作步骤如下 1夹具收紧，将箱底吊装至夹具上方，夹具通过人孔进入箱底内部并处于合适 的位置； 2将焊接完成的贮箱部段吊装至箱底正上方，将箱底叉形环与筒段端面对齐， 焊接区域与搅拌摩擦焊工装精准定位； 3折展夹具自动展开，展开至完全状态后辅助机构锁死，整个折展夹具等效为 结构件，箱底和贮箱部段在展开过程中被强制校形到标准圆弧尺寸，外压回转夹具 压紧外壁，开始焊接； 4焊接完成后，外压夹具释放，折展夹具收紧，天车吊装焊接完成的贮箱通过 人孔离开焊接区域。 上海交大设计的 3 自由度内撑折展夹具是一个全自动展开机构，收紧时校形护 板完全收缩在中心立柱内部，减小了装置整体尺寸，方便通过贮箱人孔，且展开方 式十分巧妙，充分利用三维空间展开机构的原理，进行了机构的奇异性分析和展开 轨迹规划，展开过程用时较短不会产生干涉。但校形护板支撑区域范围较小，校形 杆尺寸较细，校核时只针对贮箱内壁校形产生的反作用力进行分析，没有充分考虑 搅拌头的顶锻力以及搅拌摩擦焊接时产生的切向力， 装备样机没有进行静力学分析， 燕山大学工程硕士学位论文 - 6 - 所以夹具整体刚强度还有待认证。 图 1-7 上海交通大学王皓教授团队内撑折展夹具 2011 年 9 月，美国航空航天局NASA正式启动了继土星-5Saturn-5之后新一 代重型运载火箭，也就是航天发射系统Space Launch System, SLS的研制，宣布人 类重返月球并探索火星，满足人类深空探测的需要[9]。新一代重型运载火箭规划了 三种构型，分别为 70t、105t 和 130t，直径为 8.4m 和 10m 级，在焊接超大直径贮箱 时，为此设计一个全新的立式装配中心Vertical Assembly Center，如图 1-8 所示[10]。 a 立式装配中心 b 封箱环缝内撑装置收紧状态 c 封箱环缝内撑装置展开状态 图 1-8 NASA 大直径贮箱立式装配中心图片来源NASA 官网 第 1 章 绪论 - 7 - 整个立式装配中心由型架、起吊环、上层环、下层环、内撑夹具和封箱内撑夹 具组成。其中封箱环缝内撑装置如图 1-8bc所示，整套内撑装置为半自动展开，夹 具、箱底、贮箱筒段就位后，需要技术人员通过夹具中心立柱进入贮箱内部，将其 完全展开，焊接结束后需要技术人员再次进入夹具内部将其由半收紧状态调整为完 全收缩状态。所以该内撑装置仅适用于人孔大于 750mm、直径 8m 级以上的重型运 载火箭。目前，3.35m 和 5m 级贮箱人孔仅有 500mm，难以满足技术人员穿过，所 以仍需要设计一种全自动展开、收缩后能穿过人孔的折展撑紧装置。 1.2.2 机构运动学研究综述 随着科学的发展，现今机构的类型多种多样，不同的机构类型有不同的结构， 不同机构的运动形式、零件组成方法以及机构自由度决定着机构的具体结构。在设 计结构时，需要从大量的机构形式和计算方法中选择合适的一种[11]。机构是用来传 递运动和动力的工具，机构运动学作为机构学的重要组成部分，一直是很多国内外 专家学者的重点研究方向。目前对机构运动学的的研究主要集中在以下几个方面 自由度F分析、工作空间W分析、奇异S分析[12]，本节将对这几个方面的研究现 状做出归纳总结。 首先从机构的自由度分析，机构自由度即“确定机构运动所需要的独立运动参 数的数目”，各大学者对机构自由度的研究已经有 160 多年的历史。最早出现的是 传统的 Grbler-Kutzbach 公式也称“G-K”公式，它几乎包括了一般平面机构和空 间机构，仅仅依靠确定运动副数目、构件数目等基本参数通过简单计算就能得到机 构自由度[13-14]。但是随着机构运动理论的发展，发现不少新的过约束机构都不符合 这个公式，经常出现不正确的结果。1984 年，美国教授 Sandor 和 Erdman 在他们的 书中提出了 G-K 公式的局限性， 并列举了一系列不适用于 G-K 公式的例子[15]。 2000 年，法国教授 Merlet 在他的著作里也分析了机构运动学领域统一公式的困境，简单 组成的构件和运动副由于缺乏考虑铰链的关系，如 Carden 铰链、Goldberg 机构，这 些反例都使得各种自由度的计算公式缺乏普遍适用性[16]。渐渐人们发现，G-K 公式 不适用的原因是忽略了空间的几何约束关系，导致计算线性约束时出现错误。针对 过约束机构自由度的计算问题，许多知名学者给出了他们的自由度公式，1995 年， Moroskine、Fayet 提出建立运动约束方程，通过独立的运动闭环方程来计算自由度， 但该方法的适用性并不是很广[17]。2007 年，Herv和 Li Zexiang 通过严格而精确的 燕山大学工程硕士学位论文 - 8 - 几何理论，提出了一种基于“李代数”和微分几何等现代数学的计算公式，但它需 要使用者拥有高深的数学素养，且分析的机构并不是很广泛[18]。2011 年，黄真教授 通过用反螺旋来定义公共约束， 在反螺旋理论的基础上提出了一种新的自由度原理， 并进一步对 G-K 公式进行了修正[19]。此外，学者杨庭力、Gogu、Mller 等人都对 机构自由度的计算做出了贡献，也在各自的领域对自由度公式做出了解释，一定程
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