俞力峰，申 振

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001)

大型轉(zhuǎn)臺(tái)的力學(xué)仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

俞力峰，申 振

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001)

對大型一維測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度剛度仿真分析，發(fā)現(xiàn)在偏心負(fù)載的情況下，局部變形大，應(yīng)力集中問題突出，存在一定的安全隱患。通過在平臺(tái)底面設(shè)置圓形軌道，并在軌道的8個(gè)均布位置設(shè)置非線性彈性支承輪提供支撐力，優(yōu)化了整個(gè)平臺(tái)的受力情況，改變了鋼平臺(tái)在工作中所受的約束條件，大大提高了其動(dòng)力學(xué)特性，保障了轉(zhuǎn)臺(tái)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

力學(xué)分析；有限元分析；彈性支承；非線性彈性支承輪

0 引 言

大型一維測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)是根據(jù)某項(xiàng)目調(diào)試、測試需求所提出的，其實(shí)際回轉(zhuǎn)直徑達(dá)到11 m，實(shí)際負(fù)載達(dá)33 t。此測試轉(zhuǎn)臺(tái)主要由轉(zhuǎn)臺(tái)主體、伺服控制柜、動(dòng)力電纜、桅桿艙室等組成，其中轉(zhuǎn)臺(tái)為一維方位轉(zhuǎn)動(dòng)，由基座、轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面、傳動(dòng)裝置、伺服控制系統(tǒng)等組成，桅桿艙室主要包括桅桿艙、空調(diào)、照明、冷卻管路和電纜管路等。除了需要通過雙電機(jī)消隙伺服控制來保證轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方位精度，平臺(tái)本身也需要一定的剛度和強(qiáng)度來減小在偏心負(fù)載和一定量的風(fēng)載作用下結(jié)構(gòu)變形對轉(zhuǎn)臺(tái)指向精度的影響。因此，需要通過力學(xué)仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化來分析和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不足之處。

圖1為一維測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)示意圖，露天平臺(tái)的2個(gè)矩形冷源重量分別達(dá)到3 t，內(nèi)部設(shè)備重量可達(dá)6 t，上層艙體結(jié)構(gòu)的重量也達(dá)到了12 t。其中，由9個(gè)大型焊接鋼構(gòu)件拼裝而成的大型平臺(tái)為支撐上部結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)主要受力件(如圖2)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。本文主要通過對鋼平臺(tái)的強(qiáng)度剛度分析來研究鋼平臺(tái)的承載力學(xué)性能，通過在鋼平臺(tái)底部設(shè)計(jì)圓形軌道，并添加彈性支撐的方式來優(yōu)化鋼平臺(tái)的受力情況，以降低偏心載荷和風(fēng)力矩帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 一維系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 拼裝式鋼平臺(tái)

1 強(qiáng)度剛度分析

鋼平臺(tái)的強(qiáng)度剛度分析需要計(jì)算支撐架在受最大靜載荷情況下的應(yīng)力和變形值。強(qiáng)度分析通過Von Mises準(zhǔn)則校核：

(1)

式中：σvM為Mises應(yīng)力；σ1、σ2、σ3為第一、第二、第三主應(yīng)力；σc為臨界應(yīng)力值[1]。

變形值不應(yīng)對內(nèi)部非金屬零件造成影響。

轉(zhuǎn)盤模型參考8片拼裝結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)筋的布置和抗彎性與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)保持一致，并在周圍設(shè)置防傾覆支撐軌道。為簡化建模和計(jì)算過程，對轉(zhuǎn)盤的拼裝結(jié)構(gòu)采用了一體化處理，刪除了一些安裝孔。為了不影響計(jì)算可信度，對拼裝處進(jìn)行了弱化處理，最后總體尺寸最大處為9 000 mm，厚度為300 mm，結(jié)構(gòu)總重9 t。

在載荷加載之前按照實(shí)際情況劃分加載區(qū)域如圖3所示，材料密度為7 800 kg/m3，彈性模量為208 Gpa，泊松比0.28，網(wǎng)格劃分采用四面體。

圖3 簡化后的平臺(tái)示意

首先在轉(zhuǎn)盤中心安裝回轉(zhuǎn)支撐的位置和防傾覆軌道支撐位置加載位移約束，再加載重力載荷；然后按照實(shí)際載荷布置加載冷源、艙體結(jié)構(gòu)和中心柱位置，加載壓力載荷共24 t；最后加載因風(fēng)力載荷產(chǎn)生的傾覆力矩200 000 Nm，加載方向?yàn)檩d荷偏心方向以模擬極限狀態(tài)。載荷加載效果如圖4所示[2,4]。

圖4 載荷加載示意圖

Mises應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 Mises應(yīng)力云圖

圖6 位移云圖

由仿真計(jì)算可知，在沒有軌道支撐的情況下，轉(zhuǎn)盤的最大應(yīng)力達(dá)到138 Mpa，發(fā)生在斜支撐根部，最大變形位移達(dá)到12 mm。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，轉(zhuǎn)盤在極限載荷下存在較大安全隱患?？紤]在平臺(tái)底部加裝一環(huán)形軌道，并利用彈性支撐輪平均分布在周圈8個(gè)位置提供支撐。支撐的形式為將支撐輪倒置固定在水泥基座上，軌道則跟隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。其中支撐輪的結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。上部為滾輪和輪座，中間段為套筒和導(dǎo)桿，下部為可以調(diào)節(jié)高度的機(jī)床墊鐵。其中彈性組件由碟簧通過一定方式組合而成，安裝在套筒內(nèi)的導(dǎo)桿上，具有非線性彈性特性，其彈性特征如圖7所示。組合碟簧非線性彈性特性如圖8所示。

圖7 彈性支撐輪

圖8 組合碟簧非線性彈性特性

安裝時(shí)將支撐輪預(yù)壓至彈性拐點(diǎn)位置，這樣在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，可以有效平衡由于偏心載荷造成的偏心距，同時(shí)又能減小因軌道面的高度不一致造成的支撐力不均勻的情況。其中，碟簧的承載能力為：

(2)

式中：P為碟簧的載荷；t為碟簧厚度；D為碟簧直徑；f為單片碟簧厚度；h0為蝶形彈簧壓平時(shí)變形量的計(jì)算值；E為彈性模量；μ為泊松比；K1、K4為試驗(yàn)參數(shù)，可以查表獲得[3]。

可知碟簧具有變形量小、彈性剛度大、體積小、可以重疊使用的特性，非常適合本轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)用。因此，在一維測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)安裝到位后，艙內(nèi)設(shè)備安裝前，將彈性支撐輪預(yù)壓縮至彈性拐點(diǎn)位置，并調(diào)節(jié)底下的機(jī)床墊鐵使輪子與軌道接觸。等到艙內(nèi)設(shè)備和冷源安裝到位后將預(yù)壓縮的8組彈性支撐輪釋放，這樣每個(gè)輪組的支撐力保持在同一大小范圍。

3 驗(yàn)證計(jì)算

根據(jù)此支撐結(jié)構(gòu)，相同方式加載邊界條件的基礎(chǔ)上，在輪軌的圓周上8處均勻分布位置加載相應(yīng)的支撐力[5]，Mises應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 加彈性輪支撐后的Mises應(yīng)力云圖

圖10 加彈性輪支撐后的位移云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，轉(zhuǎn)盤的最大位移為3 mm，最大位移位于安裝冷源伸出結(jié)構(gòu)處。但是由于彈性輪的支撐，應(yīng)力集中區(qū)域由斜支撐根部轉(zhuǎn)移至冷源的安裝位置處。該處的主梁受力較大，產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為98.9 MPa，但也遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力。上部桅桿艙體由于安裝面分布于平臺(tái)周邊，接觸面較大、較分散，變形和應(yīng)力都很小。中心立柱處由于結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，也未出現(xiàn)較大變形和應(yīng)力。因此，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度足夠，驗(yàn)證了滾輪支撐結(jié)構(gòu)形式的合理性。

4 結(jié)束語

本文通過對鋼平臺(tái)進(jìn)行力學(xué)分析和有限元仿真，發(fā)現(xiàn)原有結(jié)構(gòu)形式在極限載荷作用下存在應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)變形位移大的問題。作為一維系統(tǒng)測試狀態(tài)的主要承力和轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件，該部分結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度對整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)的安全平穩(wěn)精準(zhǔn)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。通過在鋼平臺(tái)底面加裝圓形軌道，并均布加載彈性滾輪支撐的設(shè)計(jì)，顯著改善了鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中和變形位移情況。其中非線性彈性支承輪能夠抵消一部分偏心載荷、附加力矩和重力，使得鋼平臺(tái)和回轉(zhuǎn)支承的受力情況大大得到改善。彈性支承輪的設(shè)計(jì)是轉(zhuǎn)臺(tái)能夠安全平穩(wěn)運(yùn)行的有力保障，該結(jié)構(gòu)形式安全可靠，設(shè)計(jì)合理。

[1] 王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2] 張建偉.ABAQUS 6.12有限元分析從入門到精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊:第3卷[M].5版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[4] 熊霞元，程亞靜，李楊，等.大型單軸轉(zhuǎn)臺(tái)兩種軸系結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].航空精密制造技術(shù)，2012,48(4):48-50.

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MechanicsSimulationandStructureOptimizationDesignofLarge-scaleTurnTable

YU Li-feng,SHEN Zhen

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

This paper performs the strength and stiffness simulation analysis to the platform structure of large-scale one dimension test system turn table,discovers that the local deformation is large,the stress concentration problem is obvious and definite potential safety hazard exists in the case of eccentric load.By setting circular orbit on the bottom of the platform and installing nonlinear elastic support wheels at eight evenly distributed positions of the track to provide supporting force,the force condition of whole platform is optimized,the constraint condition that the steel platform suffered is improved,its dynamic characteristics is increased greatly,the safety and stable operation of the turntable are ensured.

mechanics analysis;finite element analysis;elastic support;nonlinear elastic support wheel

TP391.7

B

CN32-1413(2017)05-0113-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.026

2017-07-10