70 m大型天線反射體整體吊裝變形控制方法*

靖 猛

（1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所，陜西 西安 710065；2. 陜西省天線與測控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

引 言

近年來，隨著國內(nèi)外深空探測技術(shù)的不斷發(fā)展，用于星地通信的大型天線系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。隨著科學(xué)研究的不斷深入，對(duì)大型天線結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)指標(biāo)要求不斷提高，如要求天線增益越來越大，遠(yuǎn)距離定位精度越來越高，天線結(jié)構(gòu)的尺寸越來越大，天線結(jié)構(gòu)精度越來越高，尤其是大型天線反射體的反射面精度[1]要求，它是保證上述各項(xiàng)指標(biāo)的基礎(chǔ)。對(duì)現(xiàn)場施工而言，為了保證最終反射面精度滿足設(shè)計(jì)要求，必須在反射體吊裝前考慮反射體吊裝變形對(duì)反射面調(diào)整精度的影響。如果在反射體吊裝過程中吊裝應(yīng)力[2]分布不均勻，反射體結(jié)構(gòu)變形過大，則后期主反射面就無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從而嚴(yán)重影響天線系統(tǒng)其他微波電氣性能。因此，吊裝過程中的結(jié)構(gòu)變形控制對(duì)大型天線反射體的現(xiàn)場安裝施工非常重要。如何將反射體在吊裝過程中的結(jié)構(gòu)變形控制在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，是現(xiàn)場技術(shù)人員必須解決的一個(gè)關(guān)鍵問題，也是本文研究的重點(diǎn)。

1 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展情況

為了提高施工效率，節(jié)約成本，大型天線反射體施工通常采用整體吊裝的方式來實(shí)現(xiàn)反射體與天線座架之間的連接安裝。例如，2010年意大利的SRT 64 m口徑全可動(dòng)天線主反射體就采用了整體吊裝方案，其現(xiàn)場吊裝如圖1所示。

圖1 意大利64 m天線反射體整體吊裝

為了控制反射體吊裝變形，該64 m天線反射體整體吊裝過程中的8個(gè)吊裝點(diǎn)采用了滑輪分繩方式均勻分布載荷，即在吊車的吊鉤上同時(shí)懸掛4根主繩，每根主繩的末端懸掛1個(gè)靜滑輪，每個(gè)靜滑輪再分出2個(gè)吊裝點(diǎn)，通過靜滑輪均勻加載應(yīng)力，防止吊裝過程中天線結(jié)構(gòu)變形。但該方法只適用于天線吊點(diǎn)數(shù)量少、天線質(zhì)量輕的情況。對(duì)于自身較重的反射體，若采用該方法，則吊裝點(diǎn)拉力較大，吊裝過程中天線反射體容易產(chǎn)生較大變形。

再如2012年，國內(nèi)某65 m天線主反射體整體吊裝時(shí)，為了控制吊裝變形，整體吊裝的12個(gè)吊點(diǎn)采用了環(huán)形吊具[3]等繩長的方法均勻加載應(yīng)力，即通過設(shè)計(jì)環(huán)形吊裝工裝，使設(shè)備吊裝點(diǎn)到環(huán)形吊具等距離的方法對(duì)吊裝拉力進(jìn)行應(yīng)力均勻加載，來控制反射面結(jié)構(gòu)吊裝變形。但環(huán)形吊裝工裝作為專用設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造周期長，成本高，現(xiàn)場操作維護(hù)不便。

綜上所述，控制吊裝結(jié)構(gòu)變形需要技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)場吊裝設(shè)備和產(chǎn)品特點(diǎn)，在大型天線反射體吊裝之前進(jìn)行變形控制分析和吊裝掛繩設(shè)計(jì)，提前制定好合理的技術(shù)方案和控制方法，才能在反射體整體吊裝過程中較好地控制天線結(jié)構(gòu)變形，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，最終滿足天線的精度要求。基于上述情況，本文對(duì)某70 m天線反射體結(jié)構(gòu)展開研究，試圖找到一種安全可靠、經(jīng)濟(jì)有效的施工方法來控制吊裝過程中的反射體應(yīng)力變形。

2 項(xiàng)目背景

某70 m大型天線反射體直徑為70 m，高21 m，質(zhì)量為450 t，反射體上16 個(gè)吊點(diǎn)均勻分布在直徑為23.8 m的圓上。該天線結(jié)構(gòu)形式及反射體吊裝施工狀態(tài)如圖2所示。

圖2 70 m天線結(jié)構(gòu)示意圖

在天線反射體生產(chǎn)過程中，天線結(jié)構(gòu)自身材料的不均勻性、吊裝吊耳相對(duì)于天線中心的焊接位置誤差、吊裝繩長度誤差等因素都會(huì)綜合反映到吊裝時(shí)吊繩拉力不均上。如果16個(gè)掛繩吊耳位置受力不均，天線中心體和背架就會(huì)變形，如圖3所示。

圖3 吊裝拉力不均導(dǎo)致的天線應(yīng)變圖

如圖3所示，利用ANSYS[4]分析得出，因吊裝拉力分布不均（差值超過150 kN），天線背架上的調(diào)整螺桿超出調(diào)整范圍（在該環(huán)節(jié)分配）±20 mm，使后續(xù)無法對(duì)天線主反射面精度進(jìn)行調(diào)整，嚴(yán)重影響天線反射面的整體結(jié)構(gòu)精度。70 m天線質(zhì)量達(dá)450 t，吊點(diǎn)數(shù)量較多，因而無法采用滑輪均勻加載方案，而環(huán)形吊具吊裝工裝生產(chǎn)周期長，成本高，使用不便。因此，施工前需根據(jù)產(chǎn)品的具體特點(diǎn)和施工實(shí)際情況制定合理的方案對(duì)吊裝過程中的變形進(jìn)行控制。

3 變形問題分析

根據(jù)上述項(xiàng)目的施工要求，要將吊裝過程中70 m大型天線反射體背架的變形量控制在20 mm以內(nèi)，就必須采取相關(guān)措施，使天線反射體吊裝時(shí)分布于中心體底面的16個(gè)吊裝點(diǎn)的應(yīng)力均勻化，并將吊點(diǎn)拉力差值控制在一定范圍內(nèi)，這樣才能滿足后續(xù)天線安裝變形指標(biāo)要求。通過設(shè)計(jì)合理的掛繩方案，并采取相應(yīng)的檢測手段，使70 m天線反射體整體變形量達(dá)到施工要求。該問題可以通過相關(guān)力學(xué)計(jì)算和分析加以解決。

根據(jù)產(chǎn)品詳細(xì)結(jié)構(gòu)，通過ANSYS建立梁單元模型，在拼裝過程中天線下方的支撐點(diǎn)與16個(gè)吊裝點(diǎn)均勻分布在同一個(gè)位置。若吊裝建模約束為吊繩頂端，則單根吊繩10 kN的力差就會(huì)使整個(gè)天線反射體的整體姿態(tài)產(chǎn)生較大變形。綜合考慮天線整體姿態(tài)和背架局部變形的實(shí)際情況，折中考慮計(jì)算約束條件，對(duì)天線反射體16個(gè)吊點(diǎn)中的其中1個(gè)吊點(diǎn)沿吊繩方向加載拉力差值，對(duì)該點(diǎn)另一側(cè)的7個(gè)吊裝點(diǎn)進(jìn)行約束，其力學(xué)分析結(jié)果如圖4和圖5所示。根據(jù)ANSYS力學(xué)建模分析，吊點(diǎn)不同拉力差對(duì)變形的影響見表1。

圖4 吊繩拉力差100 kN形成的天線應(yīng)變圖

圖5 吊繩拉力差130 kN形成的天線應(yīng)變圖

表1 不同拉力差值對(duì)反射體變形的影響

由上述分析可知，16個(gè)吊點(diǎn)每根鋼繩的拉力為320 kN，需要將背架變形控制在20 mm以內(nèi)，鋼繩拉力差不能大于130 kN，對(duì)應(yīng)中心體底面的變形值不能大于8.8 mm。吊點(diǎn)拉力差與背架變形量、吊點(diǎn)底面的變形量成正比?？刂谱冃吻闆r需要通過吊裝掛繩設(shè)計(jì)使拉力均勻化，減小結(jié)構(gòu)變形。采用相應(yīng)的檢測方法檢查底面變形量是否小于8.8 mm，這樣就能達(dá)到控制反射體吊裝變形的目的。

4 方案策劃

根據(jù)上述力學(xué)分析，進(jìn)行主吊鋼絲繩掛繩設(shè)計(jì)?？紤]到吊裝鋼絲繩數(shù)量過多，采用雙錨鉤可以使鋼絲繩掛鉤拉力分布得更均勻，防止鋼絲繩相互擠壓而發(fā)生長度變化，不利于應(yīng)力的均勻分布。此次吊裝采用1 300 t級(jí)吊鉤[5]，吊鉤結(jié)構(gòu)及鋼絲繩掛繩方式設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 吊車吊鉤和鋼絲繩掛繩設(shè)計(jì)示意圖

如圖6所示，吊車兩組錨鉤的每個(gè)鉤懸掛A、B兩根50 m吊繩，每根繩子中間位置掛在吊鉤上，鋼絲繩頭連接天線相鄰兩個(gè)吊點(diǎn)位置。要求起吊后鋼絲繩載荷相同，且能使反射體處于水平狀態(tài)，即垂直距離相等。

1）A 號(hào)鋼絲繩計(jì)算，求鉤頭懸掛點(diǎn)到吊點(diǎn)的垂直距離HA1和HA2。已知吊點(diǎn)到鉤頭懸掛點(diǎn)的水平距離為11.197 m（A1）和11.042 m（A2），設(shè)繩長LA1=a, LA2=b, a+b= 50，則鉤頭懸掛點(diǎn)到吊點(diǎn)的垂直距離為(a2?11.1972)0.5=(b2?11.0422)0.5，即((50?b)2?11.1972)0.5=(b2?11.0422)0.5，得b= 24.966 m, a= 25.034 m, HA1=(25.0342?11.1972)0.5≈22.390 m,HA2=(24.9662?11.0422)0.5≈22.391 m，則鋼絲繩A1與水平面的夾角為63.42°，鋼絲繩A2與水平面的夾角為63.75°。

2）B 號(hào)鋼絲繩計(jì)算，求鉤頭懸掛點(diǎn)到吊點(diǎn)的垂直距離HB1和HB2。已知吊點(diǎn)到鉤頭懸掛點(diǎn)的水平距離為11.027 m（B1）和11.155 m（B2），設(shè)繩長LB1=a, LB2=b, a+b=50，則鉤頭懸掛點(diǎn)到吊點(diǎn)的垂直距離為(a2?11.0272)0.5= (b2?11.1552)0.5，即((50?b)2?11.0272)0.5= (b2?11.1552)0.5，得b= 25.028 m, a= 24.972 m, HB1= (24.9722?11.0272)0.5≈22.405 m, HB2= (25.0282?11.1552)0.5≈22.405 m，則鋼絲繩B1與水平面的夾角為63.79°，鋼絲繩B2與水平面的夾角為63.53°。

A、B兩根鋼絲繩高度差最大值為0.015 m，所有鋼絲繩的夾角均大于60°。根據(jù)以往工程吊裝施工要求，對(duì)于0.03 m以內(nèi)高差，現(xiàn)場施工時(shí)可在吊裝環(huán)下方墊棉麻材料對(duì)繩長和高度進(jìn)行微調(diào)，以修正載荷均勻分布狀態(tài)。

根據(jù)第3節(jié)的變形控制分析，為保證吊裝時(shí)將背架變形控制在20 mm以內(nèi)，可以采用上述總體掛繩設(shè)計(jì)來保證各段鋼絲繩受力均勻，并采用高精度跟蹤儀對(duì)中心體底面變形情況進(jìn)行過程監(jiān)測，這樣就可以掌握和調(diào)整16個(gè)吊裝位置的實(shí)際受力情況。

5 現(xiàn)場施工

根據(jù)上述方案策劃情況，現(xiàn)場采用2 000 t履帶式起重機(jī)，雙錨鉤，8根Φ70 m×50 m規(guī)格的鋼絲繩對(duì)折，懸掛在反射體16個(gè)吊點(diǎn)上。采用萊卡高精度跟蹤儀監(jiān)測到中心體底面的實(shí)際變形在4 mm以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了控制吊裝應(yīng)力變形目標(biāo)。按預(yù)期順利完成了70 m大型天線反射體的吊裝任務(wù)，并保證了反射體在吊裝過程中的變形量在9 mm以內(nèi)。天線反射體現(xiàn)場吊裝情況和最終面板調(diào)整精度檢測情況如圖7和圖8所示。

圖7 70 m天線反射體整體吊裝施工

圖8 70 m天線反射體最終面板調(diào)整精度云圖

70 m天線反射體最終通過高精度攝影測量和面板現(xiàn)場精確調(diào)整，反射體調(diào)整精度達(dá)到了0.35 mm（均方根），滿足了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)精度指標(biāo)要求。

6 結(jié)束語

通過對(duì)70 m大型天線反射體整體吊裝變形控制方法的成功策劃和實(shí)施，天線反射體施工過程的最終變形量得到了有效控制，驗(yàn)證了該方法的可靠性、可行性和安全性。該方法在技術(shù)上保證了天線反射體結(jié)構(gòu)和微波電氣性能良好，節(jié)約了大量工裝和施工成本，壓縮了項(xiàng)目的吊裝時(shí)間，按期完成了交付任務(wù)，并在探測任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。其成功應(yīng)用為該類大型天線反射體的吊裝變形控制施工提供了新的思路，并為該類大型設(shè)備的現(xiàn)場施工提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。