某輪軌式轉臺中大型轉臺骨架的設計與力學分析

徐德紅，湯付營，蔡亮亮，寇偉光

(1.中國電子科技集團 第三十九研究所，陜西 西安 710065；2.陜西省天線與控制技術重點實驗室，陜西 西安 710065；3.中國人民解放軍63926部隊，北京 100192)

0 引言

實現(xiàn)大口徑天線系統(tǒng)方位運轉的輪軌式轉臺由轉臺、軌道、滾輪和中心定位軸承等組成。轉臺是輪軌式轉臺中的重要組件，下方連接中心軸承和滾輪組合，上方安裝天線反射面。因此轉臺的結構形式尤為重要，它的剛度直接影響著天線反射面的精度。

某天線要求安裝于輪軌轉臺之上，天線面與鉛垂面夾角為35°，工作面寬度為33 m，斜邊長度為40 m，安裝面水平度小于12 mm，天線單元重量約800 t，在環(huán)境溫度為-25 ℃～+40 ℃(室外)、風速為36.9 m/s內正常工作。

基于上述要求，轉臺結構策劃為桁架形式，不僅重量輕、剛度好，并且易于保證天線安裝面的水平度。本文對轉臺中的大型轉臺骨架進行了設計，并采用ANSYS對轉臺骨架進行了仿真分析。

1 轉臺骨架設計

轉臺是整個天線的承載構架，上面裝配天線單元，下方與滾輪組合連接。根據(jù)天線安裝尺寸，轉臺定為長34 000 mm、寬33 000 mm、高48 000 mm。轉臺骨架為大型立體桁架結構，單元梁構成空間4棱錐結構，桁架由鋼梁和小的桁架單元拼接而成，鋼梁和單元的尺寸都可以公路運輸。由于要求最低工作溫度為-25 ℃，因此單元梁材料選用Q345-D。桁架斜面為天線提供安裝基礎，底面有10個節(jié)點安裝方位滾輪組合，總重量約1 400 t。轉臺骨架結構如圖1所示。

圖1 轉臺骨架結構

轉臺中心安裝軸承部分與軸承尺寸一致，由12個扇形體拼接而成，10個滾輪布置在相應的節(jié)點上，其上方為單獨的立方體桁架單元，以便于運輸和安裝。這10個桁架單元安裝好以后再用桁架梁將它們連成整體，形成轉臺骨架，骨架梁的截面為正方形。

骨架采用3 mm厚的鋼板封閉，形成轉臺中各通道和房間，設計、加工完成后進行拼裝，如圖2所示。

圖2 轉臺骨架安裝現(xiàn)場

2 轉臺骨架力學分析

轉臺是天線系統(tǒng)的承載平臺，其本身尺寸大、重量大，并需要支撐大型天線系統(tǒng)的重量和巨大的風載荷。為了對其力學性能作出評價，采用ANSYS軟件建立了該轉臺力學分析計算的有限元模型，對其在重力和風載荷兩種工況下的變形和應力進行計算。

2.1 有限元計算模型

用梁單元Beam188模擬整個轉臺的骨架，用Mass21單元模擬轉臺承受的R11～R14房間設備的重量。整個結構材料選用Q345-D，其彈性模量為206 GPa、泊松比為0.3、密度為8 635 kg/m3。

計算中考慮了兩種載荷工況：①轉臺的重力加天線重力；②轉臺的重力加天線重力和36.9 m/s風正吹對轉臺的作用力。

轉臺底面滾輪位置的10個節(jié)點只約束其Z向(豎向)自由度，底面中心與軸承連接處4個節(jié)點放開其繞Z軸的旋轉自由度，其余5個自由度均約束。轉臺底面約束節(jié)點的位置如圖3所示。

圖3 轉臺底面約束點示意圖

對轉臺結構進行適當?shù)暮喕?，采用ANSYS軟件建立的轉臺骨架有限元模型如圖4所示。該模型共有32 057個節(jié)點、37 514個單元，質量為1 400 t，上部安裝天線單元重量為800 t，坐標原點在模型底面中心。模型中所有物理量的單位制為mm、kg、s、N。

圖4 轉臺骨架有限元模型 圖5 工況1下轉臺變形云圖 圖6 工況1下等效應力云圖

2.2 仿真結果

2.2.1 工況1

仿真得到的工況1下轉臺變形云圖和等效應力云圖如圖5、圖6所示。最大變形為0.809 mm，位于轉臺斜面?zhèn)瓤拷虚g兩個滾輪支撐點的中間處；最大等效應力為52.972 MPa，位于遠離斜面?zhèn)葷L輪支撐點上。

2.2.2 工況2

仿真得到的工況2下轉臺的變形云圖和等效應力云圖如圖7、圖8所示。最大變形為10.30 mm，位于桁架頂端邊緣；最大等效應力為126.643 MPa，位于靠近斜面?zhèn)葷L輪支撐點上。

圖8 工況2下轉臺等效應力云圖

2.3 仿真結果分析

從計算結果來看，工況2下結構承載最為不利，最大變形為10.30 mm，位于桁架頂端邊緣，最大等效應力為126.643 MPa，位于靠近斜面?zhèn)葷L輪支撐點上。鋼材Q345-D的許用應力為345 MPa，所以轉臺能夠滿足強度要求。

轉臺剛度的考核指標為：在天線重力和36.9 m/s風載荷下，天線安裝面最大變形<12 mm。工況2計算結果為10.3 mm，滿足要求。

3 結束語

本文設計的輪軌式轉臺主體結構采用桁架式，由鋼梁組裝而成，重量輕、剛度好，其構件設計成便于運輸?shù)慕Y構單元，能夠較方便地通過鐵路、公路運抵工作站址。桁架結構現(xiàn)場拼裝時采用螺栓連接，可以通過工裝調整子桁架的高度來滿足天線安裝面的平面度要求。