淺談移動(dòng)塔臺(tái)系統(tǒng)抗風(fēng)能力分析

摘 要：移動(dòng)塔臺(tái)多采用多塔節(jié)套裝式結(jié)構(gòu)，在民航、氣象、通信、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；移動(dòng)塔臺(tái)系統(tǒng)采用5節(jié)塔節(jié)套裝式塔架結(jié)構(gòu)，文章對(duì)該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明，同時(shí)對(duì)其抗風(fēng)能力進(jìn)行分析計(jì)算。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)塔臺(tái)系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)說(shuō)明；抗風(fēng)能力分析；有限元計(jì)算

前言

移動(dòng)塔臺(tái)多采用多塔節(jié)套裝式結(jié)構(gòu)，采用專用車輛運(yùn)輸，并設(shè)有舉升及鎖定機(jī)構(gòu)，在設(shè)備到達(dá)預(yù)定陣地后，可以迅速展開工作；該結(jié)構(gòu)具有高機(jī)動(dòng)自行式、可快速架設(shè)及良好的環(huán)境適應(yīng)性，在民航、氣象、通信、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。移動(dòng)塔臺(tái)系統(tǒng)采用5節(jié)塔節(jié)套裝式結(jié)構(gòu)，底部設(shè)置支撐平臺(tái)，可將監(jiān)控設(shè)備架高至25m作業(yè)高度，并可在任意位置固定，可滿足監(jiān)控設(shè)備架設(shè)不同工作高度需要，同時(shí)進(jìn)行設(shè)備電力供給，進(jìn)行可快速展開和撤收，長(zhǎng)期工作性能可靠。在系統(tǒng)展開作業(yè)時(shí)，風(fēng)載荷是影響其性能穩(wěn)定的最重要因素，在相應(yīng)的指標(biāo)中也提出具體要求，文章對(duì)移動(dòng)塔臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行說(shuō)明，同時(shí)進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

1 總體結(jié)構(gòu)說(shuō)明

移動(dòng)塔臺(tái)系統(tǒng)主要由運(yùn)載底盤、升降塔、液壓控制單元、配電單元、支撐調(diào)平單元及附件等組成。運(yùn)載底盤采用北奔1928A二類底盤運(yùn)輸，其最高車速可達(dá)84km/h，上裝上裝可利用長(zhǎng)度為6090mm，最大越野載重可達(dá)7000kg可以滿足裝載需求；在底盤上加裝車架總成、俯仰支架、運(yùn)輸支撐架、抗風(fēng)支撐腿等剛性結(jié)構(gòu)，形成運(yùn)輸及工作展開承載平臺(tái)?？紤]快速展開架設(shè)及工作高度要求，將塔體設(shè)計(jì)成五節(jié)伸縮式結(jié)構(gòu)，采用支撐軸與運(yùn)輸平臺(tái)上的俯仰支架安裝，通過兩只俯仰油缸實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸時(shí)的水平狀態(tài)與工作時(shí)的垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)換；塔體采用多節(jié)聯(lián)動(dòng)起升方式，通過液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，采用舉升油缸與起重鏈條進(jìn)行舉升；塔體的工作垂直狀態(tài)采用液壓缸推動(dòng)機(jī)械鎖定方式，并通過行程開關(guān)與俯仰、舉升動(dòng)作互鎖。設(shè)置專用液壓站和電氣控制箱，對(duì)液壓元件和電氣元件進(jìn)行集成安裝，通過電氣控制箱的控制面板進(jìn)行系統(tǒng)操作，液壓站和電氣控制箱均安裝在運(yùn)輸平臺(tái)適當(dāng)位置?？紤]系統(tǒng)的抗風(fēng)要求，在塔頂部設(shè)置四條攬風(fēng)繩，攬風(fēng)繩采用自動(dòng)跟繩器進(jìn)行收放，展開時(shí)安裝在輔助支撐臂上，與塔節(jié)起降進(jìn)行隨動(dòng)同步收放。如圖1。

2 系統(tǒng)抗風(fēng)能力分析

2.1 指標(biāo)要求

抗風(fēng)能力是塔臺(tái)運(yùn)行工作的重要指標(biāo)，其具體要求為：風(fēng)速≤13.8m/s時(shí)，塔頂部水平最大擺動(dòng)幅度≤±80mm，允許拉攬風(fēng)繩；風(fēng)速≤13.8m/s塔臺(tái)能夠正常架設(shè)和工作；風(fēng)速≤20.7m/s能夠安全撤收；風(fēng)速達(dá)到32.6m/s展開狀態(tài)下不破壞。

2.2 采取方案

主要采用如下方案：保證塔節(jié)剛度，各塔節(jié)采用鋼管焊接而成的桁架結(jié)構(gòu)；考慮設(shè)置滑道及減小風(fēng)載荷，將立柱設(shè)計(jì)成圓管；考慮定位準(zhǔn)確將橫梁設(shè)計(jì)矩形管，斜撐采用圓管；考慮表面質(zhì)量及良好的焊接性能均采用冷拔20#鋼材料，采用與已成型的塔架進(jìn)行類比的設(shè)計(jì)方法，確定各截面尺寸；控制各塔節(jié)間隙：塔節(jié)采用專用工裝進(jìn)行保證對(duì)角誤差控制在4mm之內(nèi)；塔節(jié)之間的導(dǎo)向定位采用滾輪滑道形式，滾輪支座采用可調(diào)整方式，將滾輪與滑道間隙控制在2mm之內(nèi)；設(shè)置攬風(fēng)裝置：在第五節(jié)頂部設(shè)置4條攬風(fēng)繩，攬風(fēng)繩采用不銹鋼防卷鋼絲繩，頂部通過卸扣安裝，底部通過隨動(dòng)跟線盤安裝在支撐腿端部，鋼絲繩抗拉強(qiáng)度為3.12T，完全能夠滿足架設(shè)要求；底盤調(diào)平及設(shè)置輔助支撐：設(shè)置底盤手動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，并設(shè)置6只輔助支撐千斤頂，通過支撐臂使形成更大的穩(wěn)定的展開支撐工作面，保證系統(tǒng)展開工作的穩(wěn)定性。

2.3 分析校核

2.3.1 計(jì)算工況

根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)定以下四種工況進(jìn)行有限元計(jì)算；工況1：重力場(chǎng)載荷+風(fēng)速13.8m/s風(fēng)壓載荷，攬風(fēng)繩拉緊狀態(tài)，正常工作，頂部水平擺動(dòng)<100mm；工況2：重力場(chǎng)載荷+風(fēng)速13.8m/s風(fēng)壓載荷，攬風(fēng)繩松開狀態(tài)，正常架設(shè)；工況3：重力場(chǎng)載荷+風(fēng)速20.7m/s風(fēng)壓載荷，攬風(fēng)繩松開狀態(tài)，正常撤收；工況4：重力場(chǎng)載荷+風(fēng)速32.6m/s風(fēng)壓載荷，攬風(fēng)繩拉緊狀態(tài)不破壞。

2.3.2 有限元分析建模

本次分析的任務(wù)是計(jì)算出塔架在各種工況下的應(yīng)力分布和變形情況，屬于固體結(jié)構(gòu)的分析范疇，所以決定此次分析的前處理采用Hypermesh軟件，求解計(jì)算采用Nastran軟件，塔架有限元模型均以以上軟件為基礎(chǔ)進(jìn)行構(gòu)建。

由于塔架結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，為了更好地分析各部分受力及位移情況，需要在建立有限元模型時(shí)在不影響計(jì)算結(jié)果的情況下對(duì)塔體進(jìn)行一些合理的簡(jiǎn)化：把塔架各節(jié)和框架之間的焊接處簡(jiǎn)化成節(jié)點(diǎn)連接，且假設(shè)各節(jié)點(diǎn)間的連接為剛性的；頂部設(shè)備簡(jiǎn)化為等效集中質(zhì)量作用在塔體頂部；頂部設(shè)備可能受到的最大的風(fēng)載荷分解為等效的力和力矩作用在相應(yīng)的位置和質(zhì)心處；由于塔架結(jié)構(gòu)是由一系列界面形狀和尺寸相對(duì)固定的剛梁組成的，而且考慮到計(jì)算分析的經(jīng)濟(jì)性，所以決定采用梁?jiǎn)卧x予對(duì)應(yīng)的梁截面屬性來(lái)模擬塔架結(jié)構(gòu)，梁?jiǎn)卧獩Q定選取cbar單元形式。建立一、二節(jié)塔架的梁?jiǎn)卧g采用首尾相接的節(jié)點(diǎn)耦合方式進(jìn)行連接，第二節(jié)以上的每節(jié)連接采用彈簧單元模擬，這樣可以輸出攬風(fēng)繩的拉力值。

2.3.3載荷、邊界條件及材料

重力場(chǎng)載荷定義：考慮到實(shí)際的工作環(huán)境和使用情況，塔架是在重力場(chǎng)的作用下工作的，所以決定在分析中施加重力場(chǎng)載荷。這里統(tǒng)一按照重力加速度g=9.8[m/s2]計(jì)算。

風(fēng)壓載荷定義：我們知道，風(fēng)壓就是垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力，根據(jù)伯努利方程得出的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓公式：Wp=0.5·r·v2/g，其中：Wp為風(fēng)壓[kN/m2]，r為空氣密度取r=0.01225[kN/m3]（在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣壓為101.3kPa，溫度為15°C），v為風(fēng)速[m/s]（由于距地面高度不同時(shí)風(fēng)速應(yīng)進(jìn)行修正，修正系數(shù)按GJB74A第3.13.13.4條表8選取，各節(jié)間風(fēng)高系數(shù)按中間位置，采用差值法計(jì)算），重力加速度g=9.8[m/s2]（緯度為45°）處，我們得到： Wp=v2/1600。F風(fēng)=Wp·S，其中：Wp為風(fēng)壓[kN/m2]，S為節(jié)點(diǎn)迎風(fēng)面積[m2]（各個(gè)鋼梁均以各自最大的截面計(jì)算所受壓力，迎風(fēng)面積按正投影的2倍計(jì)算）。根據(jù)公式計(jì)算出塔架結(jié)構(gòu)各個(gè)鋼梁所受到的風(fēng)載荷，為了安全考慮所有的風(fēng)載荷都以集中力的形式平均分布在各節(jié)塔架的所有節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)數(shù)根據(jù)有限元網(wǎng)格劃分確認(rèn)，從第一節(jié)至第五節(jié)依次為：71

5/652/636/576/500，塔頂節(jié)點(diǎn)數(shù)為1。

邊界條件定義：約束支撐腿與地面的固定點(diǎn)的x，y，z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，放開繞三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。約束底座車架的x，y，z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，放開繞三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

材料定義：塔架結(jié)構(gòu)采用鋼材料，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比u=0.3，密度p=7.85g/mm3。

2.3.4 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

系統(tǒng)按照X軸、Y軸、45°三個(gè)方向加載，計(jì)算結(jié)果如下：工況1：塔頂最大變形69.86mm，最大應(yīng)力32.5MPa，攬風(fēng)繩最大拉力886N，節(jié)間提升鋼絲繩拉力值6868N；工況2：塔頂最大變形73.74mm，最大應(yīng)力18.5MPa，節(jié)間提升鋼絲繩拉力值7206N；工況3：塔頂最大變形132.7mm，最大應(yīng)力35.6MPa，節(jié)間提升鋼絲繩拉力值13039N；工況4：塔頂最大變形88.2mm，最大應(yīng)力58.9MPa，攬風(fēng)繩最大拉力6314N，節(jié)間提升鋼絲繩拉力值12875N。纜風(fēng)繩增加2000N預(yù)緊力后，工況1塔頂最大變形3mm，工況4塔頂最大變形9mm，攬風(fēng)繩最大拉力為11890N。

根據(jù)機(jī)械手冊(cè)查得，直徑8mm鋼絲繩最小破斷力3.12T；根據(jù)數(shù)據(jù)類比可得提升鋼絲繩安全系數(shù)為：正常工作4.54；正常架設(shè)4.3；正常撤收2.38；不破壞2.4；纜風(fēng)繩安全系數(shù)為：固定工作狀態(tài)35.2，不破壞狀態(tài)5.8，施加預(yù)緊力后2.6；以上說(shuō)明：選擇直徑8mm攬風(fēng)繩可以滿足系統(tǒng)要求。

頂部變形量分析：工況1塔頂最大偏移量70mm<80mm滿足要求；工況2塔頂最大偏移量74mm，塔中心偏移角度為0.23度，由于塔頂彎曲，產(chǎn)生彎矩，會(huì)增加舉升阻力約為0.03g，舉升油缸的舉升力為6.5T，完全能夠滿足要求；工況3塔頂最大偏移量132.7mm，塔中心偏移角度為0.42度，下降過程靠自身重力克服摩擦力，由于是滾動(dòng)摩擦，系數(shù)為0.01，由于偏移會(huì)使下降阻力增加約為0.07g，全部阻力為0.08g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自身重力，不會(huì)對(duì)下降產(chǎn)生影響；工況4最大風(fēng)載荷狀態(tài)，未發(fā)生塑性變形。

在各個(gè)工況下的應(yīng)力指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料許用值，增加2000N預(yù)緊力，就會(huì)使塔頂部變形大大降低，計(jì)算結(jié)果都是滿足要求的。

3 結(jié)束語(yǔ)

移動(dòng)塔臺(tái)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)經(jīng)過系統(tǒng)的有限元分析計(jì)算，其抗風(fēng)載能力能夠滿足性能指標(biāo)要求，考慮車輛的承載能力及系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)性，經(jīng)計(jì)算的相關(guān)結(jié)構(gòu)未作出大的調(diào)整，該系統(tǒng)研制完成后經(jīng)過實(shí)際模擬風(fēng)載荷加載試驗(yàn)，產(chǎn)品性能可靠。該系統(tǒng)多節(jié)套裝式塔架式結(jié)構(gòu)，可在相類似領(lǐng)域得到應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：佟廣利（1972-），男，工程師，主要從事專用汽車設(shè)計(jì)。