某重型薄壁伸縮式高塔結構靜動態分析

2018-06-14 06:12:36牟淑志杜春江

機械工程師 2018年6期

牟淑志, 杜春江

（1.金陵科技學院機電學院，南京211169；2.南京電子技術研究所，南京210039）

0 引言

某重型高塔設計定位于一種通用的、重型高架平臺，用于實現各種大中型雷達系統的整體架高，要求最大承載15 t載荷、架高25 m。目前國內外各型雷達高架結構中，與該重型高塔承載能力和架設高度類似的高架結構僅有俄羅斯的40B6M高塔和沈陽藍天的一種重型高塔，這2種高塔結構形式基本一致[1]。俄羅斯40B6M高塔的承載能力為13 t，架設高度（塔頂距地面的距離）為19 m，采用了獨梁式結構，具有結構簡單、精度高、晃動量小的優點，但是其運輸尺寸超長、超重，難以滿足該重型高塔結構總體技術要求。綜合考慮以上各種因素，該高塔結構采用了2節薄壁塔柱疊套式結構，利用外塔柱的倒豎和內塔柱的升降，滿足了架設高度要求，同時壓縮了運輸尺寸。

本文采用有限單元法對該重型高塔結構建立了詳細的力學分析模型，對各種典型工況下的結構靜動態性能進行了分析。

1 重型薄壁伸縮式高塔基本結構

重型薄壁伸縮式高塔主要由外塔柱、內塔柱、升降油缸、倒豎油缸、隨動平臺、斜拉桿等構件組成，系統結構示意如圖1所示。高塔全重18.3 t，運輸狀態時外形尺寸為φ1400 mm×12000 mm。高塔的最大架設高度（含車平臺高度）為25 m，最大承載能力為15 t。高塔有2種工作狀態，內塔柱不伸出時，架設高度為12 m；內塔柱伸出時，此時的架設高度為19 m。高塔內外塔柱均采用鋼板焊接而成，外塔柱與車平臺鉸接，利用2個倒豎油缸驅動，實現高塔的倒豎；內外塔柱之間布置有滑塊與導向條，內塔柱可在升降油缸的驅動下，相對于外塔柱升降；內外塔柱之間設有抱閘機構，消除塔間導向間隙，并確保高塔在升降油缸卸載后，長期保持位置不變。為提高高塔系統工作時的抗風能力和橫向穩定性，采用了3根斜拉鋼管將外塔柱頂端與車平臺相連接。

圖1 高塔系統總體（水平狀態）示意圖

2 高塔結構有限元模型

2.1 高塔結構有限元建模

由于高塔系統主要部件均采用Q345鋼板焊接而成，在有限元建模中整體采用了殼單元，多級油缸采用了梁單元來模擬，考慮到斜拉鋼管的長細比很大，在壓縮時容易發生屈曲，因而對于斜拉鋼管采用了抗拉不抗壓的直線索元來模擬，頂端負載采用集中質量單元剛性連接到負載支耳上。為減小計算求解工作量，將抱閘局部的接觸區域采用剛性連接來模擬。建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 高塔結構有限元模型示意

2.2 邊界條件簡化

1）風載荷簡化。高塔頂部負載雷達的天線尺寸為寬6.5 m×高4.2 m，包括天線座等在內的整個雷達系統迎風面積為30.65 m2，在不同風速下天線所受的風載荷如表1所示。其中6級風、8級風按內塔柱伸出考慮風振系數，12級風按內塔柱縮回考慮風振系數[2]。標準風壓可按下式計算。

式中：Wk為風載荷標準值，kN/m2；βz為高度Z處的風振系數；μs為風載荷體型系數；μz為風壓高度變化系數；W0為基本風壓其中v為風速。

將以上計算獲得的雷達系統風載荷以集中力的方式施加在天線重心位置，作用在內外塔柱上的風載則以壓力載荷的形式施加。

2）頂端設備重力負載。在天線中心位置添加一個15 t的質量單元并施加重力載荷來模擬負載自重。

3）高塔約束方式。在高塔結構分析中，忽略高塔底部車平臺系統的變形，分別在外塔柱與車平臺連接處、倒豎油缸與車平臺連接處和斜拉鋼管與車平臺連接處，約束了所有平動和相應轉動自由度來模擬其連接關系。

表1 雷達系統風載荷

3 高塔結構靜動態力學性能分析

3.1 典型工況下靜力學分析

按照設計工況要求，分別對高塔在以下4種典型工況下的應力分布及變形情況進行了分析，主要工況下高塔結構工作狀態、載荷及分析目的如下：

1）工況1。高塔水平時的受力分析，主要載荷為隨動平臺重力負載15 t，不考慮風載；內、外塔柱之間抱閘；該工況為高塔初始啟動狀態，主要分析系統結構的強度問題。

2）工況2。塔柱位于工作位置（與車平臺垂直），內塔柱伸出，頂端負載15 t，拉斜拉桿，內、外塔柱之間靠舉升油缸和導向裝置連接，6級風載。該工況主要分析升降油缸承載時，兩端連接處的局部應力、變形情況；該工況下分別計算了風載荷沿車長方向和垂直于車長方向高塔結構的應力與變形。

3）工況3。高塔位于工作位置（與車平臺垂直），內塔柱伸出，頂端負載15 t，8級風載，拉斜拉桿，內、外塔柱之間抱閘；重點是高塔橫向變形、偏擺角和高塔的應力分布；該工況下分別計算了風載荷沿車長方向和垂直于車長方向高塔結構的應力與變形。

4）工況4：高塔位于工作位置（與車平臺垂直），內塔柱縮回，頂端負載15 t，12級風載，拉斜拉桿，內、外塔柱間抱閘；該工況下分別計算了風載荷沿車長方向和垂直于車長方向高塔結構的應力與變形。

圖3 工況1下最大應力分布

圖4 工況2下最大應力分布

各典型工況下結構中的最大應力及分布分別如圖3~圖6所示，可以看出，結構中最大應力產生的位置均發生于焊接結構的角接點上，部分由于有限元建模中幾何模型的簡化造成，且其臨近區域的應力值都不高，因而可視為局部應力集中問題，通過后續局部結構的調整來解決。除去以上應力最大值及其臨近區域外，各典型工況下塔柱主體應力都不超過100 MPa。各工況下塔頂端的最大變形和最大偏擺角如表2所示，可以看出在高塔工作狀態的工況3、工況4下，由于總體布局所限，斜拉桿無法120°均布，所以風載沿車長方向和垂直車長方向加載的應力、變形不一樣，垂直于車長方向加載時變形較大；工況3與工況4下的高塔頂端偏擺角相差不大，說明兩種工作工況設置比較合理。高塔工作工況下頂端的最大變形為28 mm，發生在工況3；最大偏擺角為11′，發生在工況4。由于工況1和工況2狀態下，頂端負載設備不工作，因而在表2中不校核其偏擺角問題。