賈彥輝，石偉朝，李建軍，王宇哲

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊 050081）

0 引言

FAST工程是利用天然喀斯特洼地建設(shè)的500 m口徑、張角120°的球面射電望遠(yuǎn)鏡，項(xiàng)目場(chǎng)址位于貴州省黔南平塘縣大窩凼，如圖1所示[1-2]。FAST工程由于巨大的空間跨度，在接收機(jī)與反射面之間難以建立高精度的剛性連接[3-4]。望遠(yuǎn)鏡在直徑為600 m的圓周均布6個(gè)支撐塔。采用6根支撐索將饋源艙懸吊于空中，支撐索經(jīng)支撐塔上的導(dǎo)向滑輪與地面上的驅(qū)動(dòng)設(shè)備連接，通過(guò)驅(qū)動(dòng)設(shè)備來(lái)改變支撐索的長(zhǎng)度，拖動(dòng)饋源艙在百米尺度大工作空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并將饋源定位于瞬時(shí)焦點(diǎn)，實(shí)時(shí)地達(dá)到mm級(jí)高精度定位。實(shí)現(xiàn)對(duì)天體的高精度指向跟蹤觀測(cè)[5-7]。

艙?？科脚_(tái)是饋源艙建造組裝、入港?？俊⒕S護(hù)、檢測(cè)和支撐索系統(tǒng)安裝和更換的工藝平臺(tái)[8]，建在主動(dòng)反射面中心底部的FAST的開(kāi)挖中心處。

圖1 FAST總體示意圖

1 升降立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降立柱作為艙?？科脚_(tái)的主體支撐裝置，共有3個(gè)分別按照120°相互間隔，均勻分布在直徑?10 300 mm的圓周上，并與地基上的預(yù)埋地腳螺栓連接。

升降立柱是艙?？科脚_(tái)的主要承載機(jī)構(gòu)，由外立柱、內(nèi)立柱、艙對(duì)接支座、過(guò)渡連接板、螺旋升降裝置、尼龍導(dǎo)向塊及限位等部分組成；內(nèi)立柱法蘭上安裝有可拆卸的M30螺母（材料40Cr），螺母通過(guò)螺栓與內(nèi)立柱法蘭連接，內(nèi)、外立柱對(duì)接時(shí)采用20個(gè)M30螺栓（8.8級(jí)）與螺母連接固定，如圖2所示。

升降工作通過(guò)具有自鎖功能的螺旋升降裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，在外立柱頂端的過(guò)渡連接板上裝有尼龍滑套，與內(nèi)立柱形成上滑動(dòng)副；在內(nèi)立柱的底部四周安裝尼龍導(dǎo)向塊與外立柱四周的導(dǎo)向槽形成下滑動(dòng)副，通過(guò)上、下滑動(dòng)副實(shí)現(xiàn)內(nèi)立柱軸向雙點(diǎn)定位。升降立柱在工作狀態(tài)高度為5 020 mm，收藏狀態(tài)高度為3 497 mm（含基礎(chǔ)高100 mm），螺旋升降裝置行程為1 670 mm。升降立柱在極限位置具有雙重電限位和機(jī)械限位等多重保護(hù)。

外立柱采用鋼板焊接成方形結(jié)構(gòu)，外形尺寸為660 mm×660 mm，壁厚為16 mm，高度為3 270 mm，質(zhì)量為1.6 t。上部外側(cè)焊接法蘭，支撐環(huán)梁搭接在接口上部，側(cè)面與法蘭用螺栓固定，底部法蘭與基礎(chǔ)上地腳螺栓連接，四周加工有導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽側(cè)面安裝不銹鋼導(dǎo)軌，如圖3所示。內(nèi)立柱由艙對(duì)接支座、圓筒、連接法蘭、導(dǎo)向塊及可拆卸螺母等部分組成。圓筒截面尺寸?402 mm×24 mm，高度2 245 mm，質(zhì)量為1.05 t。

圖2 升降立柱結(jié)構(gòu)圖

艙對(duì)接支座由T型平臺(tái)、定位錐、緩沖器、緩沖器支座、壓力傳感器、調(diào)整板及O型圈等組成，T型平臺(tái)焊接在內(nèi)立柱上部，上端安裝定位錐，下部安裝緩沖器與壓力傳感器。緩沖器用于緩解饋源艙下落過(guò)程中的振動(dòng)沖擊，壓力傳感器（承載力20 t）用于檢測(cè)饋源艙下落時(shí)與支座的對(duì)接壓力，饋源艙入港對(duì)接時(shí)定位錐受到壓力向下滑動(dòng)，同時(shí)緩沖器起到緩沖作用把力傳遞到壓力傳感器上并輸出壓力數(shù)據(jù)。艙對(duì)接支座與T型平臺(tái)無(wú)縫接觸，通過(guò)壓板、螺栓把對(duì)接支座與T型平臺(tái)壓實(shí)。如圖4所示。

定位錐平面高出T型平臺(tái)上平面53 mm，當(dāng)壓力傳感器的壓力為10 t時(shí)緩沖器的壓縮量為53 mm，壓力11.8 t時(shí)緩沖器壓縮量為63 mm，饋源艙（質(zhì)量為30 t），稱饋源艙重量時(shí)在定位錐上端增加10 mm厚的調(diào)整板，完全入港后對(duì)接座與T型平臺(tái)平面之間存在10 mm間隙，此時(shí)壓力傳感器的讀數(shù)為饋源艙實(shí)際重量（該工況很少用），不承受饋源艙重量時(shí)拆除調(diào)整板。

緩沖器采用起重橡膠緩沖器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)保養(yǎng)容易、可靠性高；環(huán)境溫度為-30～65°C時(shí)能正常工作。型號(hào)為HX-250，緩沖容量2.5 kN·m，最大允許沖擊力118 kN；最大緩沖行程63 mm，質(zhì)量為6.5 kg（含支座）。

壓力傳感器額定載荷20 t，型號(hào)LF-4A，外形尺寸116 mm×116 mm×82mm，工作溫度-30～+70°C。

圖3 外立柱

圖4 艙對(duì)接支座結(jié)構(gòu)圖

2 升降立柱的結(jié)構(gòu)分析及有限元模型建立

在升降立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于ANSYS Workbench軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，對(duì)升降立柱的網(wǎng)格劃分采用CFD流體網(wǎng)格劃分，建立升降立柱的有限元模型，其特點(diǎn)是在平滑結(jié)構(gòu)處網(wǎng)格較稀疏，細(xì)小結(jié)構(gòu)處網(wǎng)格劃分較細(xì)密，如圖5所示。在選擇有限元實(shí)體單元過(guò)程中，等效為實(shí)體單元Solid45。

圖5 升降立柱的有限元模型

升降立柱力學(xué)分析中邊界條件的確定。以底面為約束面，其承受的載荷主要包括自身重力以及在艙索連接及艙索隔離和入港對(duì)接等工況下所承受的垂直、水平載荷。以下分別針對(duì)處于上述2種工況下的升降立柱進(jìn)行力學(xué)分析。

2.1 艙索連接及艙索隔離工況

此種工況下升降立柱所承受的載荷如表1所示。其中垂直載荷作用于升降立柱頂部T型平臺(tái)上平面，水平載荷作用于頂部T型平臺(tái)的側(cè)面。

表1 升降立柱的承受載荷

針對(duì)表中載荷進(jìn)行補(bǔ)充說(shuō)明。

（1）表中水平載荷即艙索連接及艙索隔離工況下的最大索拉力，取單個(gè)升降立柱所承受的水平索拉力約為最大索拉力的1/3；分析過(guò)程中考慮極端情況，取水平載荷為最大索拉力，此處已考慮了一定的安全余量。

（2）分析中水平載荷為水平索拉力和風(fēng)載荷同時(shí)存在的極端情況。

（3）表中垂直載荷同樣為各種載荷同時(shí)存在的極端情況。

基于此進(jìn)行升降立柱在艙索連接及艙索隔離工況下的力學(xué)分析，分析中對(duì)內(nèi)立柱和外立柱的壁厚進(jìn)行了充分的優(yōu)化，其分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 該工況下的變形和應(yīng)力

從上述升降立柱的分析結(jié)果可以得出：在艙索連接及艙索隔離工況下升降立柱的分析過(guò)程中，升降立柱的最大應(yīng)力為182 MPa，其安全系數(shù)為1.9，升降立柱的最大變形為14.348 mm。

2.2 入港對(duì)接工況

此種工況下升降立柱所承受的載荷如表2所示。其中垂直載荷作用于升降立柱頂部T型平臺(tái)上平面。

表2 升降立柱的承受載荷

基于此進(jìn)行升降立柱在艙索連接及艙索隔離工況下的力學(xué)分析，分析中對(duì)內(nèi)立柱和外立柱的壁厚進(jìn)行了充分的優(yōu)化，其分析結(jié)果如圖7所示。

從上述升降立柱的分析結(jié)果可以得出：在艙索連接及艙索隔離工況下升降立柱的分析過(guò)程中，升降立柱的最大應(yīng)力為16.7 MPa，其安全系數(shù)為21.6；升降立柱的最大變形為0.2 mm。

圖7 該工況下的變形和應(yīng)力

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件ANSYS Workbench，可對(duì)FAST艙?？科脚_(tái)升降立柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)的快速化有限元建模。升降立柱處于不同的工況時(shí)，主要關(guān)注其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證在此工況下升降立柱的安全性；在保證安全性的前提下，升降立柱的變形同樣僅作為輔助考察指標(biāo)。另外從分析的結(jié)果可以看出升降立柱滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度需求。