賈立德，涂國勇，鄭永煌，吳 非，李 婷

（中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心試驗技術(shù)部，蘭州732750）

1 引言

航天發(fā)射塔是典型的大型、高聳建筑結(jié)構(gòu)，是航天發(fā)射場重要的地面設(shè)備之一，是運載火箭在地面順利完成測試發(fā)射的最后一道保障手段，尤其是其回轉(zhuǎn)平臺部分，需要及時、準確、安全、可靠的實現(xiàn)展開合攏動作，保證運載火箭的順利測試與發(fā)射。

風(fēng)是建筑結(jié)構(gòu)的主要控制載荷[1，2]。對于航天發(fā)射塔這類對可靠性、安全性有極高要求的重要建筑結(jié)構(gòu)而言，風(fēng)是影響其保障能力的一個不容忽視的重要因素。風(fēng)對航天發(fā)射塔回轉(zhuǎn)平臺的影響可以分為不隨時間變化的定常部分和由陣風(fēng)及大氣湍流引起的非定常部分[3]。定常風(fēng)的作用可以歸結(jié)為研究垂直于回轉(zhuǎn)平臺表面的靜力載荷及繞流問題[3，4]，它使回轉(zhuǎn)平臺產(chǎn)生彎曲變形，影響回轉(zhuǎn)平臺的最大展開合攏允許速度值；風(fēng)的非定常部分使回轉(zhuǎn)平臺在風(fēng)速方向發(fā)生振動，回轉(zhuǎn)平臺對陣風(fēng)的響應(yīng)主要集中在低頻[5]。同時，航天發(fā)射塔固定平臺還會對回轉(zhuǎn)平臺附近風(fēng)場產(chǎn)生干擾[6]。因此，回轉(zhuǎn)平臺在風(fēng)作用下會產(chǎn)生非常復(fù)雜的變形和振動。

分析求解航天發(fā)射塔回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)固有頻率和振型，是進行風(fēng)作用下回轉(zhuǎn)平臺可靠性安全性分析的基本前提[7]。本文利用有限元軟件對航天發(fā)射塔回轉(zhuǎn)平臺進行了建模分析，求解計算了回轉(zhuǎn)平臺的固有頻率和振型，為回轉(zhuǎn)平臺在風(fēng)作用的可靠性安全性分析奠定了基礎(chǔ)。

2 回轉(zhuǎn)平臺的基本結(jié)構(gòu)

臍帶塔回轉(zhuǎn)平臺共分為4組，每組回轉(zhuǎn)平臺又由左右兩聯(lián)組成。回轉(zhuǎn)平臺以液壓系統(tǒng)為動力源，齒輪齒條傳動?；剞D(zhuǎn)平臺既可每組單獨動作，也可4組同時動作。

臍帶塔回轉(zhuǎn)平臺最初設(shè)計采用空間鋼架結(jié)構(gòu)。而為了保障火箭測試工作的環(huán)境要求，后續(xù)對火箭工作區(qū)進行了封閉，即在回轉(zhuǎn)平臺鋼架結(jié)構(gòu)外側(cè)利用彩鋼板及保溫材料實現(xiàn)封閉。臍帶塔回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

然而，封閉在改善回轉(zhuǎn)平臺環(huán)境保障能力的同時，也使得其結(jié)構(gòu)自重增加，結(jié)構(gòu)受風(fēng)面積增大，從而增大了風(fēng)對回轉(zhuǎn)平臺的影響。封閉前后的回轉(zhuǎn)平臺如圖1所示。封閉后的航天發(fā)射塔照片如圖2所示。

圖1 封閉前后的航天發(fā)射塔回轉(zhuǎn)平臺

圖2 航天發(fā)射塔回轉(zhuǎn)平臺實物

3 回轉(zhuǎn)平臺有限元建模

回轉(zhuǎn)平臺的有限元建模可以分為幾何模型的建立、網(wǎng)格的劃分、約束的施加以及分析求解4個基本步驟。

由于實際的回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此建模時對其進行了適當(dāng)?shù)暮喕?。對于回轉(zhuǎn)平臺的非承力件，如欄桿，加注供氣管路等進行了省略。模型簡化的基本原則為：

①保持結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量不變，力求使簡化模型和原結(jié)構(gòu)的動力特性（主要是低階頻率）盡可能保持一致；

②在同樣的外界激勵作用下，兩者的動力響應(yīng)應(yīng)盡可能保持相近；

③由于結(jié)構(gòu)整體振動模態(tài)對外界激勵的影響占主導(dǎo)地位，因此模型的簡化主要是忽略實體結(jié)構(gòu)中的豐富的局部振動模態(tài)。

對簡化的實體結(jié)構(gòu)進行幾何建模，然后在建立的幾何模型上劃分有限元網(wǎng)格，最終建立的上部回轉(zhuǎn)平臺有限元模型如圖3所示。所建立的有限元模型共有30000個板殼單元，370個體單元，2000個梁單元。下部回轉(zhuǎn)平臺的有限元模型具有相似的建模過程和方法，此處不再贅述。

圖3 上部回轉(zhuǎn)平臺有限元模型

4 回轉(zhuǎn)平臺動特性分析

4.1 上部回轉(zhuǎn)平臺計算結(jié)果

上部回轉(zhuǎn)平臺封閉前后的前4階固有頻率計算結(jié)果如表1所示。上部回轉(zhuǎn)平臺封閉前后的前4階振型分別如圖4、5所示。

表1 上部回轉(zhuǎn)平臺固有頻率及振型

圖4 上部回轉(zhuǎn)平臺封閉前的前4階振型圖

圖5 上部回轉(zhuǎn)平臺封閉后的前4階振型圖

4.2 下部回轉(zhuǎn)平臺計算結(jié)果

下部回轉(zhuǎn)平臺封閉前后的前4階固有頻率計算結(jié)果如表2所示。下部回轉(zhuǎn)平臺封閉前后的前4階振型分別如圖6、7所示。

表2 下部回轉(zhuǎn)平臺固有頻率及振型

4.3 計算結(jié)果分析

通過對航天發(fā)射塔回轉(zhuǎn)平臺封閉前后固有頻率和振型的計算及對比分析，可以得出以下基本結(jié)論：

（1）封閉沒有改變回轉(zhuǎn)平臺的結(jié)構(gòu)振型。

由回轉(zhuǎn)平臺的固有頻率及振型計算結(jié)果可以看出，封閉前后其前4階振型是一一對應(yīng)的，雖然固有頻率的大小產(chǎn)生了一定的變化，但振型是相似的，這就說明回轉(zhuǎn)平臺封閉后的基本結(jié)構(gòu)振型沒有發(fā)生改變。

（2）封閉后的回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)固有頻率降低。

圖6 下部回轉(zhuǎn)平臺封閉前的前4階振型圖

圖7 下部回轉(zhuǎn)平臺封閉后的前4階振型圖

從計算結(jié)果可以看出，封閉后的回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)固有頻率有所降低，從而在一定程度上降低了結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的可靠性安全性。自然風(fēng)的激振頻率一般是0.5Hz左右，雖然從計算結(jié)果看，封閉后的回轉(zhuǎn)平臺固有頻率遠離風(fēng)的激振頻率，不會因為風(fēng)荷載而引起激振。但考慮到計算過程中的簡化和計算誤差等因素的影響，風(fēng)對封閉后回轉(zhuǎn)平臺的影響在任務(wù)中仍然需要引起重視。

5 結(jié)論

本文在建立了航天發(fā)射塔回轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)有限元模型的基礎(chǔ)上，分析求解了其固有頻率和振型，并進行了對比分析，同時對風(fēng)荷載可能引起的影響進行了分析，為對回轉(zhuǎn)平臺的實際操作具有參考價值。

然而，風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用和影響是十分復(fù)雜的。瞬時風(fēng)作用下回轉(zhuǎn)平臺的瞬態(tài)響應(yīng)分析與計算，回轉(zhuǎn)平臺的封閉結(jié)構(gòu)對其風(fēng)場模型的反作用和影響等都是回轉(zhuǎn)平臺可靠性安全性分析需要進一步研究的問題。◇

［1］黃本才，汪從軍著.結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用［M］.上海：同濟大學(xué)出版社，2001.2

［2］張相庭著.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.6

［3］盧春玲，李秋勝，黃生洪等.大跨度復(fù)雜屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的大渦模擬［J］，土木工程學(xué)報，2011.15：175-178

［4］劉若斐，沈國輝，孫炳楠.大型冷卻塔風(fēng)荷載的數(shù)值模擬研究［J］：工程力學(xué)，2006.5：21-25

［5］田海姣.巨型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)靜動力特性研究［D］：碩士學(xué)位論文，北京交通大學(xué)，2006.12

［6］袁健.鋼管桁架屋蓋結(jié)構(gòu)的靜動力性能研究［D］：碩士學(xué)位論文，武漢理工大學(xué)，2007.11

［7］李波，楊慶山，侯亞委等.設(shè)置透風(fēng)孔的超高層建筑風(fēng)荷載特性［J］.土木工程學(xué)報，2011，8：102-106