封閉前后航天發射塔回轉平臺結構動特性分析

賈立德，涂國勇，鄭永煌，吳 非，李 婷

（中國酒泉衛星發射中心試驗技術部，蘭州732750）

1 引言

航天發射塔是典型的大型、高聳建筑結構，是航天發射場重要的地面設備之一，是運載火箭在地面順利完成測試發射的最后一道保障手段，尤其是其回轉平臺部分，需要及時、準確、安全、可靠的實現展開合攏動作，保證運載火箭的順利測試與發射。

風是建筑結構的主要控制載荷[1，2]。對于航天發射塔這類對可靠性、安全性有極高要求的重要建筑結構而言，風是影響其保障能力的一個不容忽視的重要因素。風對航天發射塔回轉平臺的影響可以分為不隨時間變化的定常部分和由陣風及大氣湍流引起的非定常部分[3]。定常風的作用可以歸結為研究垂直于回轉平臺表面的靜力載荷及繞流問題[3，4]，它使回轉平臺產生彎曲變形，影響回轉平臺的最大展開合攏允許速度值；風的非定常部分使回轉平臺在風速方向發生振動，回轉平臺對陣風的響應主要集中在低頻[5]。同時，航天發射塔固定平臺還會對回轉平臺附近風場產生干擾[6]。因此，回轉平臺在風作用下會產生非常復雜的變形和振動。

分析求解航天發射塔回轉平臺結構固有頻率和振型，是進行風作用下回轉平臺可靠性安全性分析的基本前提[7]。本文利用有限元軟件對航天發射塔回轉平臺進行了建模分析，求解計算了回轉平臺的固有頻率和振型，為回轉平臺在風作用的可靠性安全性分析奠定了基礎。

2 回轉平臺的基本結構

臍帶塔回轉平臺共分為4組，每組回轉平臺又由左右兩聯組成。回轉平臺以液壓系統為動力源，齒輪齒條傳動。回轉平臺既可每組單獨動作，也可4組同時動作。

臍帶塔回轉平臺最初設計采用空間鋼架結構。而為了保障火箭測試工作的環境要求，后續對火箭工作區進行了封閉，即在回轉平臺鋼架結構外側利用彩鋼板及保溫材料實現封閉。臍帶塔回轉平臺結構如圖1所示。

然而，封閉在改善回轉平臺環境保障能力的同時，也使得其結構自重增加，結構受風面積增大，從而增大了風對回轉平臺的影響。封閉前后的回轉平臺如圖1所示。封閉后的航天發射塔照片如圖2所示。

圖1 封閉前后的航天發射塔回轉平臺

圖2 航天發射塔回轉平臺實物

3 回轉平臺有限元建模

回轉平臺的有限元建模可以分為幾何模型的建立、網格的劃分、約束的施加以及分析求解4個基本步驟。

由于實際的回轉平臺結構比較復雜，因此建模時對其進行了適當的簡化。對于回轉平臺的非承力件，如欄桿，加注供氣管路等進行了省略。模型簡化的基本原則為：

①保持結構的整體質量不變，力求使簡化模型和原結構的動力特性（主要是低階頻率）盡可能保持一致；

②在同樣的外界激勵作用下，兩者的動力響應應盡可能保持相近；

③由于結構整體振動模態對外界激勵的影響占主導地位，因此模型的簡化主要是忽略實體結構中的豐富的局部振動模態。

對簡化的實體結構進行幾何建模，然后在建立的幾何模型上劃分有限元網格，最終建立的上部回轉平臺有限元模型如圖3所示。所建立的有限元模型共有30000個板殼單元，370個體單元，2000個梁單元。下部回轉平臺的有限元模型具有相似的建模過程和方法，此處不再贅述。

圖3 上部回轉平臺有限元模型

4 回轉平臺動特性分析

4.1 上部回轉平臺計算結果

上部回轉平臺封閉前后的前4階固有頻率計算結果如表1所示。上部回轉平臺封閉前后的前4階振型分別如圖4、5所示。

表1 上部回轉平臺固有頻率及振型

圖4 上部回轉平臺封閉前的前4階振型圖

圖5 上部回轉平臺封閉后的前4階振型圖

4.2 下部回轉平臺計算結果

下部回轉平臺封閉前后的前4階固有頻率計算結果如表2所示。下部回轉平臺封閉前后的前4階振型分別如圖6、7所示。

表2 下部回轉平臺固有頻率及振型

4.3 計算結果分析

通過對航天發射塔回轉平臺封閉前后固有頻率和振型的計算及對比分析，可以得出以下基本結論：

（1）封閉沒有改變回轉平臺的結構振型。

由回轉平臺的固有頻率及振型計算結果可以看出，封閉前后其前4階振型是一一對應的，雖然固有頻率的大小產生了一定的變化，但振型是相似的，這就說明回轉平臺封閉后的基本結構振型沒有發生改變。

（2）封閉后的回轉平臺結構固有頻率降低。

圖6 下部回轉平臺封閉前的前4階振型圖

圖7 下部回轉平臺封閉后的前4階振型圖

從計算結果可以看出，封閉后的回轉平臺結構固有頻率有所降低，從而在一定程度上降低了結構在外荷載作用下的可靠性安全性。自然風的激振頻率一般是0.5Hz左右，雖然從計算結果看，封閉后的回轉平臺固有頻率遠離風的激振頻率，不會因為風荷載而引起激振。但考慮到計算過程中的簡化和計算誤差等因素的影響，風對封閉后回轉平臺的影響在任務中仍然需要引起重視。

5 結論

本文在建立了航天發射塔回轉平臺結構有限元模型的基礎上，分析求解了其固有頻率和振型，并進行了對比分析，同時對風荷載可能引起的影響進行了分析，為對回轉平臺的實際操作具有參考價值。

然而，風對結構的作用和影響是十分復雜的。瞬時風作用下回轉平臺的瞬態響應分析與計算，回轉平臺的封閉結構對其風場模型的反作用和影響等都是回轉平臺可靠性安全性分析需要進一步研究的問題。◇

［1］黃本才，汪從軍著.結構抗風分析原理及應用［M］.上海：同濟大學出版社，2001.2

［2］張相庭著.結構風工程［M］.北京：中國建筑工業出版社，2006.6

［3］盧春玲，李秋勝，黃生洪等.大跨度復雜屋蓋結構風荷載的大渦模擬［J］，土木工程學報，2011.15：175-178

［4］劉若斐，沈國輝，孫炳楠.大型冷卻塔風荷載的數值模擬研究［J］：工程力學，2006.5：21-25

［5］田海姣.巨型垂直軸風力發電機組結構靜動力特性研究［D］：碩士學位論文，北京交通大學，2006.12

［6］袁健.鋼管桁架屋蓋結構的靜動力性能研究［D］：碩士學位論文，武漢理工大學，2007.11

［7］李波，楊慶山，侯亞委等.設置透風孔的超高層建筑風荷載特性［J］.土木工程學報，2011，8：102-106