基于ANSYS的架高塔的力学仿真分析                                          

基于ANSYS的架高塔的力学仿真分析                                          

张小蔚

武汉滨湖电子有限责任公司   湖北武汉  430010

【摘要】本文描述了风载荷的计算过程，同时利用ansys workbench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。       

【关键词】ansys 风载荷 架高塔

一、引言

1、 ansys及ansys workbench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。

Ansys Workbench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，ANSYS Workbench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。ANSYS Workbench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

2.1 某雷达基本结构

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，层间距为2.5m，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°。发射天线每层半径为3.4米。 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，接收天线层间距为2.5m。

三、风载荷的计算

3.1基本风压

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：

                             图3.1基本风压系数

3.2雷达天线风载静载计算

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/），

3.3风载系数的确定

(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。对于基本自振周期Tl大于0.25秒的结构，以及高度大于30m且高度比大于1.5的高耸结构物体，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

3.3雷达天线风载静载计算

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，即28.6m/s。

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：

四.建模及仿真

4.1有限元模型的建立

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，高度约2.3m，第二层塔面积为500mm×500mm，高度为2.3m，第三层塔面积为350mm×350mm，高度约2.3m，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、四层高为1.5m，五、六、七、八层高为1.25mm。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。

4.2 ansys仿真过程

（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

（1）铝合金的许用应力为[σ]=2.8e+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，应力变化分别为69.8MPa和123.8MPa，均小于[σ]=2.8e+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]=4.6e+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]=4.6e+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Ansys Workbench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。

参考文献

[1]丁毓锋.ANSYS 12.0有限元分析完全手册[M]. 北京：电子工业出版社，2011

[2]浦广益.ANSYS workbench 12 基础教程与实例详解[M]. 北京：中国水利水电出版社，2010

[3]张相庭.工程结构风载荷理论和抗风计算手册[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，周勤.基于ANSYS的雷达结构强度分析[J] . 南京电子技术研究所，2011

1