生開明,王 寧

(山東信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造系，山東 濰坊 261061)

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟(jì)的快速增長帶動(dòng)了通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，鐵塔基座是通信工程中常見的基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，各行各業(yè)對通信鐵塔的需求也逐漸增多。目前的通信鐵塔正向結(jié)構(gòu)多樣化、功能集成化、空間高層化方向發(fā)展，在鐵塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，靜態(tài)分析極為重要，不但決定結(jié)構(gòu)尺寸，還為疲勞分析、整體穩(wěn)定性分析提供參考依據(jù)[1]。現(xiàn)實(shí)中，通信鐵塔工作環(huán)境復(fù)雜多樣，常常發(fā)生因基座環(huán)境惡劣而導(dǎo)致倒塔和塔材斷裂的事故，嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行和周邊環(huán)境安全。因此，本文運(yùn)用ANSYS Workbench進(jìn)行有限元分析與優(yōu)化，重點(diǎn)對鐵塔基座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，找出基座受力較大、容易發(fā)生疲勞破壞的結(jié)構(gòu)部位，為設(shè)計(jì)人員確定結(jié)構(gòu)尺寸提供理論指導(dǎo)，避免因鐵塔基座結(jié)構(gòu)不合理而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

1 有限元分析

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，是目前國際上最流行的有限元分析軟件之一[2]。該軟件主要包括前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊3個(gè)部分。利用ANSYS軟件能夠?qū)C(jī)械模型進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，通過應(yīng)力、應(yīng)變云圖直觀展示構(gòu)件的性能特點(diǎn)，從而為解決機(jī)械結(jié)構(gòu)中常見的問題提供理論依據(jù)?；贏NSYS的有限元分析基本流程如圖1所示。

圖1 有限元分析流程

1.1 實(shí)體建模

ANSYS軟件可建立簡單的二維或三維物理模型，但對于比較復(fù)雜的工程實(shí)際問題，其三維建模能力較弱，因此，本文選擇建模功能更強(qiáng)大的SolidWorks軟件對鐵塔基座進(jìn)行實(shí)體建模，然后再將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS中[3]。在建模時(shí)保持實(shí)體特征的獨(dú)立性，根據(jù)鐵塔基座的實(shí)際結(jié)構(gòu)特征及受力情況對對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較小的圓角、倒角及螺紋等輔助特征進(jìn)行簡化處理。在SolidWorks建立的鐵塔基座三維模型如圖2所示。

圖2 鐵塔基座三維模型

1.2 有限元模型

將圖2所示的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，為提高計(jì)算分析的有效性，根據(jù)鐵塔基座的實(shí)際情況定義材料Q235、彈性模量2×1011Pa、泊松比0.3、密度7.85 g/cm3。利用Workbench的自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能劃分模型。自動(dòng)劃分是在四面體與掃掠型劃分之間自動(dòng)切換，當(dāng)幾何體不規(guī)則時(shí)無法被掃掠，程序?qū)⒆詣?dòng)產(chǎn)生四面體單元，反之，如果幾何體規(guī)則可以被掃掠，程序就自動(dòng)產(chǎn)生六面體單元[4]。

應(yīng)用Solid186單元可以自適應(yīng)模型的網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格后的模型如圖3(a)所示，為提高分析的精確度，將單元格尺寸大小設(shè)置為5 mm，共產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)13 185個(gè)，生成單元7 154個(gè)，單元質(zhì)量良好，能夠滿足分析要求。根據(jù)鐵塔基座的實(shí)際受力情況，給模型添加相應(yīng)的約束和載荷，基座底部法蘭圓盤通過16個(gè)高強(qiáng)度螺栓與地面固定，立柱是16面體的棱柱結(jié)構(gòu)。將底部法蘭受螺栓的拉力進(jìn)行簡化處理，對法蘭施加固定約束，對立柱添加等效力來代替實(shí)際工作中受到的側(cè)傾力。添加約束和載荷后的模型如圖3(b)所示。

圖3 鐵塔基座有限元模型

1.3 靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析

鐵塔基座的靜態(tài)分析結(jié)果如圖4所示。由圖4(a)可知：在鐵塔基座發(fā)生側(cè)傾變形時(shí)，鐵塔頂部存在最大變形，其值為0.03 mm，在立柱與法蘭的接觸位置，最大變形值為0.01 mm，遠(yuǎn)小于許用變形量[f]=H/2 000=0.13 mm(其中，H為立柱的垂直高度，本模型尺寸H=260 mm)。由圖4(b)可知：對鐵塔基座加載后的最大等效應(yīng)力也出現(xiàn)在鐵塔頂部，其值為105.94 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度235 MPa。

圖4 鐵塔基座有限元分析結(jié)果

綜合來看，鐵塔基座的強(qiáng)度和剛度滿足使用要求，但考慮到實(shí)際的鐵塔立柱高度遠(yuǎn)高于仿真模型，且立柱面上往往附加有其他設(shè)備，會(huì)極大增加鐵塔基座疲勞破壞的風(fēng)險(xiǎn)，縮短鐵塔基座的使用壽命，因此，需要對危險(xiǎn)面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步提高鐵塔基座的安全性及使用壽命。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

由上述分析可知，鐵塔基座易發(fā)生破壞的部位是底部法蘭基座與立柱接觸處，因此對該部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖5(a)所示，在底部法蘭與立柱接觸部位使用加強(qiáng)肋板架構(gòu)，肋板的數(shù)量與底部螺栓孔一致，以便均勻分擔(dān)載荷。將模型導(dǎo)入ANSYS中劃分網(wǎng)格，劃分的方法及單元參數(shù)與原模型保持一致，共產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)16 822個(gè)、單元9 214個(gè)，單元質(zhì)量較高，能夠滿足分析要求，圖5(b)為劃分網(wǎng)格后的有限元模型。

圖5 優(yōu)化后的鐵塔基座模型

鐵塔基座底部的加強(qiáng)肋板是采用焊接的形式固定于立柱與法蘭之間，且肋板的材料與鐵塔基座保持一致，由于肋板是與底部法蘭共同作用支撐立柱，因此，為了與原模型保持對比，對肋板和法蘭施加固定約束，這也與鐵塔基座的實(shí)際安裝要求相符；同樣對立柱添加與原模型相同的等效力來代替實(shí)際工作中受到的側(cè)傾力。添加完約束和載荷后，進(jìn)入后處理程序分析求解，求解結(jié)果如圖6所示。

如圖6(a)所示，當(dāng)對鐵塔基座的立柱施加一定的側(cè)向載荷時(shí)，在鐵塔頂部存在最大變形，其值為0.016 mm。基座底部由于加強(qiáng)肋板的作用，發(fā)生的變形較小，其值為0.007 mm，考慮到肋板的作用是提高立柱與法蘭底座的強(qiáng)度和剛度，是一個(gè)輔助作用，而立柱與底部法蘭的變形量幾乎不計(jì)，完全在許用變形量范圍內(nèi)?？梢钥闯觯c原模型的最大變形量相比，優(yōu)化后的鐵塔基座自身結(jié)構(gòu)變形量大大減小，優(yōu)化效果良好。

如圖6(b)所示，在加強(qiáng)肋板的作用下，在立柱與法蘭間出現(xiàn)了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為55.786 MPa，原來集中于立柱頂端的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到加強(qiáng)肋板上，大大減小了立柱自身的應(yīng)力，當(dāng)肋板出現(xiàn)破損或安全隱患時(shí)，可以通過焊接或其他處理方法進(jìn)行加固，從而可以提高鐵塔基座自身的強(qiáng)度和剛度，延長其使用壽命。同時(shí)也能夠提前消除隱患，為維修保養(yǎng)人員帶來極大便捷。

圖6 鐵塔基座結(jié)構(gòu)優(yōu)化后分析結(jié)果

3 結(jié)束語

通信工程中常用的鐵塔基座常常處于風(fēng)吹日曬、狂風(fēng)暴雨等惡劣環(huán)境，對鐵塔基座自身結(jié)構(gòu)的安全性提出了更高的要求[5]。通過建立鐵塔基座的三維模型，利用ANSYS優(yōu)化分析軟件，模擬鐵塔基座受到側(cè)傾力的影響，找出容易發(fā)生變形及出現(xiàn)最大應(yīng)力的部位。分析結(jié)果顯示，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，即基座沒有加強(qiáng)肋板時(shí)，最大變形量和最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在立柱頂端，且均在合理范圍內(nèi)。當(dāng)在立柱與法蘭間設(shè)計(jì)加強(qiáng)肋板后，最大變形量出現(xiàn)在立柱頂端，且小于優(yōu)化前的數(shù)據(jù)；在加強(qiáng)肋板處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，最大等效應(yīng)力也小于優(yōu)化前的數(shù)據(jù)。

針對易發(fā)生破壞的部位，采用加強(qiáng)肋板結(jié)構(gòu)，通過ANSYS分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加相同的側(cè)傾力時(shí)，出現(xiàn)較大變形及應(yīng)力集中的部位轉(zhuǎn)移到加強(qiáng)肋板上，且數(shù)值遠(yuǎn)小于原模型，結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果明顯。因此，建議通信工程中的鐵塔基座采用加強(qiáng)肋板結(jié)構(gòu)，能夠減小變形及應(yīng)力集中，提高鐵塔基座自身工作的安全性，延長其使用壽命。