基于ANSYS的高聳桅桿結構優化設計

劉鵬

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

1 引言

高聳桅桿結構形式種類較多，主要應用于軍用通信天線、輸電線塔、導航塔、航空指揮塔等高聳結構。由于桅桿結構通常高度較高，主要荷載為風荷載，設計過程中要考慮降低結構風阻，減小迎風面積，仿真計算時主要校核風荷載作用下的結構強度和剛度，以保證結構安全。

2 高聳桅桿結構建模及分析

圖1 桅桿有限元模型

2.1 桅桿模型的建立

以某一通信天線為例，應用ANSYS 軟件APDL 參數化建模方法建立桅桿結構有限元模型。如圖1 所示，桅桿結構采用桁架結構形式，三方纖繩沿桅桿高度方向均勻分布，共5 層，每層纖繩仰角為45°，保證其對桅桿桿身的支承作用，以及不致使纖繩的拉力對桿身造成較大的壓力荷載；桅桿橫截面為三角形，邊長2.7m，桅桿高度150m，共50 節，每節高度為3m。纖繩采用鋼芯鋼絲繩，彈性模量為1.4×105MPa。為了降低桅桿結構風阻，所有桿件均采用圓形鋼管材料，以減小體型系數，抗拉強度為375MPa。

2.2 有限元模型單元類型

模型共采用三種單元，BEAM188、PIPE16、LINK10。桅桿主桿為梁單元BEAM188，取兩種尺寸參數，底部30節為外徑0.351m的鋼管，頂部20 節為外徑0.299m的鋼管；橫桿和斜桿為管單元PIPE16，纖繩為線單元LINK10，單元參數如表1 所示。

表1 桅桿有限元模型單元參數

2.3 荷載及約束加載

桅桿和纖繩根部采用固定約束，并對整個桅桿結構施加重力荷載。風荷載屬于表面荷載，計算中將風荷載等效地施加在結構節點上。桅桿風荷載以節點力的形式加載在每節桅桿主桿和橫桿交匯的節點上。纖繩風荷載以節點力的形式加載在每個線單元的節點上。風壓是隨著桅桿高度而變化的，沿高度方向將風荷載分為5 種，基本風壓為0.9kN/m2，根據風荷載公式［1］，計算每一高度風荷載節點力如表2 所示。

表2 桅桿所受風荷載

風荷載計算公式：ωk=βzμsμzω0

對纖繩劃分網格時，使同一高度上纖繩節點數相同，由于纖繩截面尺寸、迎風面積、風壓相同，所以纖繩在相同高度所受風荷載節點力相同，如表3 所示，為纖繩所受風荷載節點力沿高度方向分布情況。

表3 每層纖繩節點數及所受風荷載等效節點力 /N

為了使纖繩不會發生松弛現象，應該對纖繩施加合適預拉力，約為鋼絲繩最小破斷拉力的15%，取值為171kN。纖繩的預拉力可以用線單元初應變形式加載，根據初應變公式［2］，計算纖繩單元初應變為0.0012。

3 計算結果

圖2 桅桿軸力分布圖

由于纖繩為非線性材料，在結構分析中采用幾何非線性和材料非線性的方法，分析大變形和預應力效應。分析結果如圖2 所示，為桅桿軸力分布圖，纖繩最大拉力發生在最外層為539.28kN，小于纖繩最小破斷拉力。通過計算桅桿根部主管受壓，最大壓力179.3MPa；頂部主管受拉，最大拉力198.2MPa，小于鋼管抗拉強度，故桅桿強度滿足設計要求。如圖3 所示，為桅桿位移分布圖，纖繩最大位移1.944m，桅桿頂部沿風荷載方向最大位移0.5148m，按文獻［1］中的規定，風荷載作用下桅桿結構總體位移限值為高度的1/75［1］，即為2m，故桅桿剛度滿足設計要求。

圖3 桅桿位移分布圖

4 高聳桅桿結構優化設計

由分析結果可以看出，桅桿桿件鋼管的參數能夠滿足強度要求，纖繩最大受力分布在最外層纖繩，內層纖繩受力相對較小，故可以對纖繩分布形式和參數進行優化，進而提高桅桿結構設計的合理性。優化后的纖繩采用共錨設計，纖繩2、3 層共用一個錨點，4、5 層共用一個錨點，以減少桅桿占地面積，單元參數如表4 所示。

表4 優化后桅桿有限元模型單元參數

桅桿桿件所受風荷載同優化前相同，纖繩由于直徑發生改變，故每層纖繩所受風荷載的節點力不同，其值如表5所示。不同參數纖繩最小破斷拉力不同，故每層纖繩施加預拉力也不同，分別為99.45kN、171kN、262.5kN。

表5 每層纖繩節點數及所受風荷載等效節點力 /N

圖4 桅桿軸力分布圖

分析結果如圖4所示，為桅桿軸力分布圖，纖繩最大拉力發生在最外層為350.63kN，小于纖繩最小破斷拉力1750kN，安全性得到了很大提高。通過計算桅桿根部主管受壓，最大壓力201.5MPa；頂部主管受拉，最大拉力173.4MPa，小于鋼管抗拉強度，故桅桿強度滿足設計要求。如圖5 所示，為桅桿位移分布圖，纖繩最大位移1.191m，桅桿頂部沿風荷載方向最大位移0.482m。

圖5 桅桿位移分布圖

5 結論

基于ANSYS 有限元軟件對高聳桅桿結構進行了靜力學分析，建立了桅桿結構有限元模型，提出了利用線單元初應變效應對纖繩施加預拉力的方法，分析了桅桿在重力荷載和風荷載共同作用下的受力分布和位移分布情況，通過分析看出桅桿纖繩最大受力發生在最外層，最里層纖繩受力最小。在強度和剛度滿足要求的情況下對結構進行了優化，優化后纖繩采用共錨設計，減少了桅桿的錨點數量和占地面積，節約了成本。纖繩參數也進行了優化，增大了外層纖繩截面直徑，減小內層纖繩截面直徑，外層纖繩受力減小，而最小破斷拉力增加，使桅桿結構強度更加可靠。纖繩預拉力的增加使桅桿剛度增大，桅桿頂端沿風荷載方向位移相應減小。對高聳桅桿結構有限元仿真計算及優化設計，為類似高聳結構設計提供了參考，具有重要的工程實際意義。

［1］GB50135-2006，高聳結構設計規范［S］.

［2］劉鴻文.簡明材料力學［M］.北京：高等教育出版社，2008：45-51.

［3］李黎明.ANSYS 有限元分析實用教程［M］.北京：清華大學出版社，2005：76-91.

［4］葉先磊，史亞杰.ANSYS 工程分析軟件應用實例［M］.北京：清華大學出版社，2003：253-265.

［5］尚曉江.ANSYS 有限元高級分析與范例應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2008：301-320.

［6］李黎明.ANSYS 有限元分析實用教程［M］.北京：清華大學出版社，2005：76-91.