FAST艙停靠平臺升降立柱的結構設計與力學分析

賈彥輝，石偉朝，李建軍，王宇哲

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊 050081）

0 引言

FAST工程是利用天然喀斯特洼地建設的500 m口徑、張角120°的球面射電望遠鏡，項目場址位于貴州省黔南平塘縣大窩凼，如圖1所示[1-2]。FAST工程由于巨大的空間跨度，在接收機與反射面之間難以建立高精度的剛性連接[3-4]。望遠鏡在直徑為600 m的圓周均布6個支撐塔。采用6根支撐索將饋源艙懸吊于空中，支撐索經支撐塔上的導向滑輪與地面上的驅動設備連接，通過驅動設備來改變支撐索的長度，拖動饋源艙在百米尺度大工作空間內運動，并將饋源定位于瞬時焦點，實時地達到mm級高精度定位。實現對天體的高精度指向跟蹤觀測[5-7]。

艙停靠平臺是饋源艙建造組裝、入港停靠、維護、檢測和支撐索系統安裝和更換的工藝平臺[8]，建在主動反射面中心底部的FAST的開挖中心處。

圖1 FAST總體示意圖

1 升降立柱的結構設計

升降立柱作為艙停靠平臺的主體支撐裝置，共有3個分別按照120°相互間隔，均勻分布在直徑?10 300 mm的圓周上，并與地基上的預埋地腳螺栓連接。

升降立柱是艙停靠平臺的主要承載機構，由外立柱、內立柱、艙對接支座、過渡連接板、螺旋升降裝置、尼龍導向塊及限位等部分組成；內立柱法蘭上安裝有可拆卸的M30螺母（材料40Cr），螺母通過螺栓與內立柱法蘭連接，內、外立柱對接時采用20個M30螺栓（8.8級）與螺母連接固定，如圖2所示。

升降工作通過具有自鎖功能的螺旋升降裝置來實現，在外立柱頂端的過渡連接板上裝有尼龍滑套，與內立柱形成上滑動副；在內立柱的底部四周安裝尼龍導向塊與外立柱四周的導向槽形成下滑動副，通過上、下滑動副實現內立柱軸向雙點定位。升降立柱在工作狀態高度為5 020 mm，收藏狀態高度為3 497 mm（含基礎高100 mm），螺旋升降裝置行程為1 670 mm。升降立柱在極限位置具有雙重電限位和機械限位等多重保護。

外立柱采用鋼板焊接成方形結構，外形尺寸為660 mm×660 mm，壁厚為16 mm，高度為3 270 mm，質量為1.6 t。上部外側焊接法蘭，支撐環梁搭接在接口上部，側面與法蘭用螺栓固定，底部法蘭與基礎上地腳螺栓連接，四周加工有導向槽，導向槽側面安裝不銹鋼導軌，如圖3所示。內立柱由艙對接支座、圓筒、連接法蘭、導向塊及可拆卸螺母等部分組成。圓筒截面尺寸?402 mm×24 mm，高度2 245 mm，質量為1.05 t。

圖2 升降立柱結構圖

艙對接支座由T型平臺、定位錐、緩沖器、緩沖器支座、壓力傳感器、調整板及O型圈等組成，T型平臺焊接在內立柱上部，上端安裝定位錐，下部安裝緩沖器與壓力傳感器。緩沖器用于緩解饋源艙下落過程中的振動沖擊，壓力傳感器（承載力20 t）用于檢測饋源艙下落時與支座的對接壓力，饋源艙入港對接時定位錐受到壓力向下滑動，同時緩沖器起到緩沖作用把力傳遞到壓力傳感器上并輸出壓力數據。艙對接支座與T型平臺無縫接觸，通過壓板、螺栓把對接支座與T型平臺壓實。如圖4所示。

定位錐平面高出T型平臺上平面53 mm，當壓力傳感器的壓力為10 t時緩沖器的壓縮量為53 mm，壓力11.8 t時緩沖器壓縮量為63 mm，饋源艙（質量為30 t），稱饋源艙重量時在定位錐上端增加10 mm厚的調整板，完全入港后對接座與T型平臺平面之間存在10 mm間隙，此時壓力傳感器的讀數為饋源艙實際重量（該工況很少用），不承受饋源艙重量時拆除調整板。

緩沖器采用起重橡膠緩沖器，結構簡單、維護保養容易、可靠性高；環境溫度為-30～65°C時能正常工作。型號為HX-250，緩沖容量2.5 kN·m，最大允許沖擊力118 kN；最大緩沖行程63 mm，質量為6.5 kg（含支座）。

壓力傳感器額定載荷20 t，型號LF-4A，外形尺寸116 mm×116 mm×82mm，工作溫度-30～+70°C。

圖3 外立柱

圖4 艙對接支座結構圖

2 升降立柱的結構分析及有限元模型建立

在升降立柱結構設計的基礎上，基于ANSYS Workbench軟件進行靜力學分析，對升降立柱的網格劃分采用CFD流體網格劃分，建立升降立柱的有限元模型，其特點是在平滑結構處網格較稀疏，細小結構處網格劃分較細密，如圖5所示。在選擇有限元實體單元過程中，等效為實體單元Solid45。

圖5 升降立柱的有限元模型

升降立柱力學分析中邊界條件的確定。以底面為約束面，其承受的載荷主要包括自身重力以及在艙索連接及艙索隔離和入港對接等工況下所承受的垂直、水平載荷。以下分別針對處于上述2種工況下的升降立柱進行力學分析。

2.1 艙索連接及艙索隔離工況

此種工況下升降立柱所承受的載荷如表1所示。其中垂直載荷作用于升降立柱頂部T型平臺上平面，水平載荷作用于頂部T型平臺的側面。

表1 升降立柱的承受載荷

針對表中載荷進行補充說明。

（1）表中水平載荷即艙索連接及艙索隔離工況下的最大索拉力，取單個升降立柱所承受的水平索拉力約為最大索拉力的1/3；分析過程中考慮極端情況，取水平載荷為最大索拉力，此處已考慮了一定的安全余量。

（2）分析中水平載荷為水平索拉力和風載荷同時存在的極端情況。

（3）表中垂直載荷同樣為各種載荷同時存在的極端情況。

基于此進行升降立柱在艙索連接及艙索隔離工況下的力學分析，分析中對內立柱和外立柱的壁厚進行了充分的優化，其分析結果如圖6所示。

圖6 該工況下的變形和應力

從上述升降立柱的分析結果可以得出：在艙索連接及艙索隔離工況下升降立柱的分析過程中，升降立柱的最大應力為182 MPa，其安全系數為1.9，升降立柱的最大變形為14.348 mm。

2.2 入港對接工況

此種工況下升降立柱所承受的載荷如表2所示。其中垂直載荷作用于升降立柱頂部T型平臺上平面。

表2 升降立柱的承受載荷

基于此進行升降立柱在艙索連接及艙索隔離工況下的力學分析，分析中對內立柱和外立柱的壁厚進行了充分的優化，其分析結果如圖7所示。

從上述升降立柱的分析結果可以得出：在艙索連接及艙索隔離工況下升降立柱的分析過程中，升降立柱的最大應力為16.7 MPa，其安全系數為21.6；升降立柱的最大變形為0.2 mm。

圖7 該工況下的變形和應力

3 結束語

本文采用結構有限元分析軟件ANSYS Workbench，可對FAST艙停靠平臺升降立柱進行結構的快速化有限元建模。升降立柱處于不同的工況時，主要關注其結構強度，保證在此工況下升降立柱的安全性；在保證安全性的前提下，升降立柱的變形同樣僅作為輔助考察指標。另外從分析的結果可以看出升降立柱滿足設計強度需求。