基于ANSYS的鐵塔基座強度分析與結構優化

生開明,王 寧

(山東信息職業技術學院 智能制造系，山東 濰坊 261061)

0 引言

近年來，我國經濟的快速增長帶動了通信行業的迅猛發展，鐵塔基座是通信工程中常見的基礎支撐結構，各行各業對通信鐵塔的需求也逐漸增多。目前的通信鐵塔正向結構多樣化、功能集成化、空間高層化方向發展，在鐵塔結構設計過程中，靜態分析極為重要，不但決定結構尺寸，還為疲勞分析、整體穩定性分析提供參考依據[1]。現實中，通信鐵塔工作環境復雜多樣，常常發生因基座環境惡劣而導致倒塔和塔材斷裂的事故，嚴重影響通信系統的正常運行和周邊環境安全。因此，本文運用ANSYS Workbench進行有限元分析與優化，重點對鐵塔基座的結構進行靜力學分析，找出基座受力較大、容易發生疲勞破壞的結構部位，為設計人員確定結構尺寸提供理論指導，避免因鐵塔基座結構不合理而導致安全事故的發生。

1 有限元分析

ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，是目前國際上最流行的有限元分析軟件之一[2]。該軟件主要包括前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊3個部分。利用ANSYS軟件能夠對機械模型進行仿真模擬計算，通過應力、應變云圖直觀展示構件的性能特點，從而為解決機械結構中常見的問題提供理論依據。基于ANSYS的有限元分析基本流程如圖1所示。

圖1 有限元分析流程

1.1 實體建模

ANSYS軟件可建立簡單的二維或三維物理模型，但對于比較復雜的工程實際問題，其三維建模能力較弱，因此，本文選擇建模功能更強大的SolidWorks軟件對鐵塔基座進行實體建模，然后再將模型數據導入ANSYS中[3]。在建模時保持實體特征的獨立性，根據鐵塔基座的實際結構特征及受力情況對對結構強度影響較小的圓角、倒角及螺紋等輔助特征進行簡化處理。在SolidWorks建立的鐵塔基座三維模型如圖2所示。

圖2 鐵塔基座三維模型

1.2 有限元模型

將圖2所示的三維模型導入ANSYS Workbench中，為提高計算分析的有效性，根據鐵塔基座的實際情況定義材料Q235、彈性模量2×1011Pa、泊松比0.3、密度7.85 g/cm3。利用Workbench的自動劃分網格功能劃分模型。自動劃分是在四面體與掃掠型劃分之間自動切換，當幾何體不規則時無法被掃掠，程序將自動產生四面體單元，反之，如果幾何體規則可以被掃掠，程序就自動產生六面體單元[4]。

應用Solid186單元可以自適應模型的網格劃分，劃分網格后的模型如圖3(a)所示，為提高分析的精確度，將單元格尺寸大小設置為5 mm，共產生節點13 185個，生成單元7 154個，單元質量良好，能夠滿足分析要求。根據鐵塔基座的實際受力情況，給模型添加相應的約束和載荷，基座底部法蘭圓盤通過16個高強度螺栓與地面固定，立柱是16面體的棱柱結構。將底部法蘭受螺栓的拉力進行簡化處理，對法蘭施加固定約束，對立柱添加等效力來代替實際工作中受到的側傾力。添加約束和載荷后的模型如圖3(b)所示。

圖3 鐵塔基座有限元模型

1.3 靜態結構分析

鐵塔基座的靜態分析結果如圖4所示。由圖4(a)可知：在鐵塔基座發生側傾變形時，鐵塔頂部存在最大變形，其值為0.03 mm，在立柱與法蘭的接觸位置，最大變形值為0.01 mm，遠小于許用變形量[f]=H/2 000=0.13 mm(其中，H為立柱的垂直高度，本模型尺寸H=260 mm)。由圖4(b)可知：對鐵塔基座加載后的最大等效應力也出現在鐵塔頂部，其值為105.94 MPa，小于材料的屈服強度235 MPa。

圖4 鐵塔基座有限元分析結果

綜合來看，鐵塔基座的強度和剛度滿足使用要求，但考慮到實際的鐵塔立柱高度遠高于仿真模型，且立柱面上往往附加有其他設備，會極大增加鐵塔基座疲勞破壞的風險，縮短鐵塔基座的使用壽命，因此，需要對危險面進行結構優化，進一步提高鐵塔基座的安全性及使用壽命。

2 結構優化分析

由上述分析可知，鐵塔基座易發生破壞的部位是底部法蘭基座與立柱接觸處，因此對該部位結構進行優化設計，如圖5(a)所示，在底部法蘭與立柱接觸部位使用加強肋板架構，肋板的數量與底部螺栓孔一致，以便均勻分擔載荷。將模型導入ANSYS中劃分網格，劃分的方法及單元參數與原模型保持一致，共產生節點16 822個、單元9 214個，單元質量較高，能夠滿足分析要求，圖5(b)為劃分網格后的有限元模型。

圖5 優化后的鐵塔基座模型

鐵塔基座底部的加強肋板是采用焊接的形式固定于立柱與法蘭之間，且肋板的材料與鐵塔基座保持一致，由于肋板是與底部法蘭共同作用支撐立柱，因此，為了與原模型保持對比，對肋板和法蘭施加固定約束，這也與鐵塔基座的實際安裝要求相符；同樣對立柱添加與原模型相同的等效力來代替實際工作中受到的側傾力。添加完約束和載荷后，進入后處理程序分析求解，求解結果如圖6所示。

如圖6(a)所示，當對鐵塔基座的立柱施加一定的側向載荷時，在鐵塔頂部存在最大變形，其值為0.016 mm。基座底部由于加強肋板的作用，發生的變形較小，其值為0.007 mm，考慮到肋板的作用是提高立柱與法蘭底座的強度和剛度，是一個輔助作用，而立柱與底部法蘭的變形量幾乎不計，完全在許用變形量范圍內。可以看出，與原模型的最大變形量相比，優化后的鐵塔基座自身結構變形量大大減小，優化效果良好。

如圖6(b)所示，在加強肋板的作用下，在立柱與法蘭間出現了應力集中，最大應力為55.786 MPa，原來集中于立柱頂端的應力轉移到加強肋板上，大大減小了立柱自身的應力，當肋板出現破損或安全隱患時，可以通過焊接或其他處理方法進行加固，從而可以提高鐵塔基座自身的強度和剛度，延長其使用壽命。同時也能夠提前消除隱患，為維修保養人員帶來極大便捷。

圖6 鐵塔基座結構優化后分析結果

3 結束語

通信工程中常用的鐵塔基座常常處于風吹日曬、狂風暴雨等惡劣環境，對鐵塔基座自身結構的安全性提出了更高的要求[5]。通過建立鐵塔基座的三維模型，利用ANSYS優化分析軟件，模擬鐵塔基座受到側傾力的影響，找出容易發生變形及出現最大應力的部位。分析結果顯示，在結構優化前，即基座沒有加強肋板時，最大變形量和最大等效應力均出現在立柱頂端，且均在合理范圍內。當在立柱與法蘭間設計加強肋板后，最大變形量出現在立柱頂端，且小于優化前的數據；在加強肋板處產生了應力集中，最大等效應力也小于優化前的數據。

針對易發生破壞的部位，采用加強肋板結構，通過ANSYS分析發現，當施加相同的側傾力時，出現較大變形及應力集中的部位轉移到加強肋板上，且數值遠小于原模型，結構優化效果明顯。因此，建議通信工程中的鐵塔基座采用加強肋板結構，能夠減小變形及應力集中，提高鐵塔基座自身工作的安全性，延長其使用壽命。