某輪軌式轉(zhuǎn)臺(tái)中大型轉(zhuǎn)臺(tái)骨架的設(shè)計(jì)與力學(xué)分析

徐德紅，湯付營，蔡亮亮，寇偉光

(1.中國電子科技集團(tuán) 第三十九研究所，陜西 西安 710065；2.陜西省天線與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；3.中國人民解放軍63926部隊(duì)，北京 100192)

0 引言

實(shí)現(xiàn)大口徑天線系統(tǒng)方位運(yùn)轉(zhuǎn)的輪軌式轉(zhuǎn)臺(tái)由轉(zhuǎn)臺(tái)、軌道、滾輪和中心定位軸承等組成。轉(zhuǎn)臺(tái)是輪軌式轉(zhuǎn)臺(tái)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(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)臺(tái)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(fēng)速為36.9 m/s內(nèi)正常工作。

基于上述要求，轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)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(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)中的大型轉(zhuǎn)臺(tái)骨架進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并采用ANSYS對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)骨架進(jìn)行了仿真分析。

1 轉(zhuǎn)臺(tái)骨架設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)臺(tái)是整個(gè)天線的承載構(gòu)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(zhuǎn)臺(tái)定為長34 000 mm、寬33 000 mm、高48 000 mm。轉(zhuǎn)臺(tái)骨架為大型立體桁架結(jié)構(gòu)，單元梁構(gòu)成空間4棱錐結(jié)構(gòu)，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(yùn)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(chǔ)，底面有10個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝方位滾輪組合，總重量約1 400 t。轉(zhuǎn)臺(tái)骨架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)骨架結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)臺(tái)中心安裝軸承部分與軸承尺寸一致，由12個(gè)扇形體拼接而成，10個(gè)滾輪布置在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，其上方為單獨(dú)的立方體桁架單元，以便于運(yùn)輸和安裝。這10個(gè)桁架單元安裝好以后再用桁架梁將它們連成整體，形成轉(zhuǎn)臺(tái)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(zhuǎn)臺(tái)中各通道和房間，設(shè)計(jì)、加工完成后進(jìn)行拼裝，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)臺(tái)骨架安裝現(xiàn)場

2 轉(zhuǎn)臺(tái)骨架力學(xué)分析

轉(zhuǎn)臺(tái)是天線系統(tǒng)的承載平臺(tái)，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(fēng)載荷。為了對(duì)其力學(xué)性能作出評(píng)價(jià)，采用ANSYS軟件建立了該轉(zhuǎn)臺(tái)力學(xué)分析計(jì)算的有限元模型，對(duì)其在重力和風(fēng)載荷兩種工況下的變形和應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

2.1 有限元計(jì)算模型

用梁單元Beam188模擬整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)的骨架，用Mass21單元模擬轉(zhuǎn)臺(tái)承受的R11～R14房間設(shè)備的重量。整個(gè)結(jié)構(gòu)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(jì)算中考慮了兩種載荷工況：①轉(zhuǎn)臺(tái)的重力加天線重力；②轉(zhuǎn)臺(tái)的重力加天線重力和36.9 m/s風(fēng)正吹對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的作用力。

轉(zhuǎn)臺(tái)底面滾輪位置的10個(gè)節(jié)點(diǎn)只約束其Z向(豎向)自由度，底面中心與軸承連接處4個(gè)節(jié)點(diǎn)放開其繞Z軸的旋轉(zhuǎn)自由度，其余5個(gè)自由度均約束。轉(zhuǎn)臺(tái)底面約束節(jié)點(diǎn)的位置如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)臺(tái)底面約束點(diǎn)示意圖

對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，采用ANSYS軟件建立的轉(zhuǎn)臺(tái)骨架有限元模型如圖4所示。該模型共有32 057個(gè)節(jié)點(diǎn)、37 514個(gè)單元，質(zhì)量為1 400 t，上部安裝天線單元重量為800 t，坐標(biāo)原點(diǎn)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(zhuǎn)臺(tái)骨架有限元模型 圖5 工況1下轉(zhuǎn)臺(tái)變形云圖 圖6 工況1下等效應(yīng)力云圖

2.2 仿真結(jié)果

2.2.1 工況1

仿真得到的工況1下轉(zhuǎn)臺(tái)變形云圖和等效應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示。最大變形為0.809 mm，位于轉(zhuǎn)臺(tái)斜面?zhèn)瓤拷虚g兩個(gè)滾輪支撐點(diǎn)的中間處；最大等效應(yīng)力為52.972 MPa，位于遠(yuǎn)離斜面?zhèn)葷L輪支撐點(diǎn)上。

2.2.2 工況2

仿真得到的工況2下轉(zhuǎn)臺(tái)的變形云圖和等效應(yīng)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(yīng)力為126.643 MPa，位于靠近斜面?zhèn)葷L輪支撐點(diǎn)上。

圖8 工況2下轉(zhuǎn)臺(tái)等效應(yīng)力云圖

2.3 仿真結(jié)果分析

從計(jì)算結(jié)果來看，工況2下結(jié)構(gòu)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(yīng)力為126.643 MPa，位于靠近斜面?zhèn)葷L輪支撐點(diǎn)上。鋼材Q345-D的許用應(yīng)力為345 MPa，所以轉(zhuǎn)臺(tái)能夠滿足強(qiáng)度要求。

轉(zhuǎn)臺(tái)剛度的考核指標(biāo)為：在天線重力和36.9 m/s風(fēng)載荷下，天線安裝面最大變形<12 mm。工況2計(jì)算結(jié)果為10.3 mm，滿足要求。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的輪軌式轉(zhuǎn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)采用桁架式，由鋼梁組裝而成，重量輕、剛度好，其構(gòu)件設(shè)計(jì)成便于運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)單元，能夠較方便地通過鐵路、公路運(yùn)抵工作站址。桁架結(jié)構(gòu)現(xiàn)場拼裝時(shí)采用螺栓連接，可以通過工裝調(diào)整子桁架的高度來滿足天線安裝面的平面度要求。