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【Summary】本文描述了风载荷的计算过程,同时利用ansysworkbench对HGR架高塔进行抗风能力的分析,结果表明,在10级风作用下,15米架高塔的抗风能力较强,同时发射天线和接收天线均未发生大变形,不影响整体雷达的性能。       
【Keys】ansys风载荷架高塔
一、引言
1、ansys及ansysworkbench简介
Ansys是最为通用和有效的商用有限元软件之一,。它融结构、传热学、流体、电磁、声学和爆破分析于一体,具有极为强大的前后处理及计算分析能力,能同时模拟结构、热、流体、电磁以及多种物理场间的耦合效应。该软件在我国的航天航空、铁路运输业、石油化工、机械制造、能源、汽车、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利等领域得到广泛的应用,为各领域的科学研究和工程应用作出了巨大的贡献。
AnsysWorkbench是用ANSYS求解实际问题的新一代产品,它给ANSYS的求解提供了强大的功能。为CAD系统和工程设计提供了全新的平台,使得各种CAE分析简捷易用的同时也保证了最好的CAE结果,ANSYSWorkbench包括CAE建模工具、分析工具、优化分析工具以及网格转化工具。Workbench还提供了这些环境之间的相互操作和控制信息传递的流程,并且能够方便的切换到经典的ANSYS环境。ANSYSWorkbench实现了与CAD的直接双向接口功能,是新一代的参数化建模工具,和领先的优化技术,代表了CAE的发展方向。
二、某雷达架高塔
天馈系统由发射天线、接收天线及架高塔组成。
架高塔由两部分组成——升降塔和升降杆,工作时总高度约为15m。共有三层,材料为钢,均采用桁架结构,完全升起时的高度约为5m,升降杆共有8节,升起时的高度约为12mm,其中嵌入升降塔的深度约为2m。
发射天线由4副正交放置的LPDA天线组成,每副LPDA天线覆盖方位面90°扇区。接收天线由3层交叉偶极子天线阵列组成,,单层偶极子天线阵列由3个交叉放置偶极子天线组成,天线两两间夹角均为120°。。发射天线和接收天线固定在架高塔上,接收天线固定于发射天线上方,离发射天线距离为5米,。
三、风载荷的计算
一般来说,有实测记录的是风速,但工程设计中用的是风压或者是风力进行计算,因此涉及到如何将风速转化为风压的问题。在不可压的低速气流下,考虑无粘度且忽略体力作用,在统一水平线上的各点作为标准高度的伯努利方程为:
                             3-1
由伯努利方程得基本风压计算公式:
                            3-2
式中(m/s)为离地面10m高度统计所得的5min平均最大风速
一般地,不同地区和城市的基本风压可查用《建筑结构荷载规范》的基本风压图:
 
                            
公式如下: 
                           3-3
式中:
——平均风荷载标准值(KN/)   —风载荷体形系数;
—风压高度变化系数;              —基本风压(KN/),
(1)体形系数
                            3-4
体形系数可查风体形系数表所得。
(2)风压高度变化系数
在同一地区,高度不同,风速也不同。为了获得不同高度与风速之间的关系,必须掌握它们垂直高度的变化规律。根据实测结果分析,平均风速垂直高度变化的规律可用指数函数来描述,即:
                           3-9
工程中常用的计算公式为:
                          3-10
(3)风振系数
风振系数又称脉动增大系数。,,均需要考虑风压脉动对天线发生顺向风振的影响。天线的高度z处的风振系数按下式计算:
                             3-13
HRG512雷达要求抗风能力达10级风,查的蒲福氏风级表得风速为88-103Km/h,此处取103Km/h,。
雷达天线风载静载计算应该依据来计算。即:
                                  3-14
其参数的选取可参照风振系数的确定选取。
风载荷计算结果如下:
参数
升降杆
升降塔
发射天线
接收天线
基本风压(KN/m2)
体形系数
风压高度变化系数
风振系数
不考虑
不考虑
不考虑
不考虑
平均风压(KN/m2)
1
1
发射天线和接收天线直接模型导入,根据初步方案,架高塔模型采用如下尺寸:两部分组成,一部分是塔,一部分杆。
(1)升高塔共三层,采用桁架结构,四角采用组合方形角钢,边长60mm,厚度3mm,底层塔面积为650mm×650mm,,第二层塔面积为500mm×500mm,,第三层塔面积为350mm×350mm,,同时第二层第三层塔嵌入深度约为1m,故升高塔完整升起时的高度在5m左右。
(2)升降杆共8层,均采用厚度为5mm的钢管,直径从66mm到170mm不等,底层高度为2mm,二、三、,五、六、七、。升降杆完全升起时的高度约为12m,同时升降杆嵌入升高塔的深度约为2m。
(3)架高塔上升时,首先升起的是升降杆,然后升高塔再同时往上升,下降时,首先下降的是升高塔,下降完成后,升降杆再下降,这种情况方便发射天线和接收天线的安装,如遇到特殊情况,可以采用手动升降。
(4)为了简化模型,提高仿真准确性,同时在最后对架高塔进行应力分析时,发射天线仅增加了架高塔的重量,对整体架高塔的变形没有大的影响,故将发射天线模型简化,简化为梯形的铝板,其长度约为3150mm,梯形底端长3138mm,上端长1578mm,厚度为3mm。其重量与外观尺寸均与发射天线相符。
(1)模型建立或者导入
(2)选定材料及设定材料属性
(3)划分网格,选择网格大小及划分方法
(4)施加固定约束
(5)加载风载荷
(6)分析结果
五、分析结果显示
类型
最大变形
量(mm)
变最大变形
角度
最大变形量
位置
最大应力
MPa
最大应力位置
发射
天线
自重
1°
风载荷
3°
最长振子端
最长振子与方管
的连接端
接收
天线
风向垂直
1°
振子端
振子与六角盘
振子
安装处
风向平行
振子
1°
振子端
振子与六角盘
安装处
架高塔
风载荷
329
°
升降杆顶端
312
升降杆底端
(1)铝合金的许用应力为[σ]=+08Pa,在本次研究中接收天线和发射天线的振子均采用铝合金,其在十级风作用下,,均小于[σ]=+08Pa,故不会发生不可逆变形即塑性变形,或者变形量微小,可忽略不计。
(2)合金钢的许用应力为[σ]=+08Pa,在本次研究中升降塔和升降杆均采用合金钢,其在十级风作用下,应力变化为312MPa,小于许用应力[σ]=+08Pa,故不会发生塑性变形,或者塑性变形量微小,可忽略不计。
(3)针对架高塔的变形量,项目总体要求在十级风作用下,变形角度应该小于3°,故可知此仿真结果满足要求。
六、不足
(1)风对天线的影响远远不止于静力作用,风对天线产生的振动作用以及长时间导致的疲劳作用,都有很大的影响,这方面还需进一步探索。
(2)架高塔在实际中会采用拉索进行固定,减小受风载荷的影响,由于拉索设置在AnsysWorkbench中较为特殊,故此次论文中未提及,所以这方面还需进一步的研究。
(3)材料力学方面的理论知识有所欠缺,导致在整个仿真分析的理解过程中存在误区,还需继续深入研究。
Reference
[1][M].北京:电子工业出版社,2011
[2][M].北京:中国水利水电出版社,2010
[3][M].北京:同济大学出版社1990
[4]高耸结构设计规范GBJ135北京:中国建组工业出版社1990
[5]陈玉振,[J].南京电子技术研究所,2011
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-全文完-