靖 猛

（1. 中國電子科技集團公司第三十九研究所，陜西 西安 710065；2. 陜西省天線與測控技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710065）

引 言

近年來，隨著國內(nèi)外深空探測技術(shù)的不斷發(fā)展，用于星地通信的大型天線系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛。隨著科學研究的不斷深入，對大型天線結(jié)構(gòu)的各項指標要求不斷提高，如要求天線增益越來越大，遠距離定位精度越來越高，天線結(jié)構(gòu)的尺寸越來越大，天線結(jié)構(gòu)精度越來越高，尤其是大型天線反射體的反射面精度[1]要求，它是保證上述各項指標的基礎(chǔ)。對現(xiàn)場施工而言，為了保證最終反射面精度滿足設(shè)計要求，必須在反射體吊裝前考慮反射體吊裝變形對反射面調(diào)整精度的影響。如果在反射體吊裝過程中吊裝應(yīng)力[2]分布不均勻，反射體結(jié)構(gòu)變形過大，則后期主反射面就無法達到設(shè)計要求，從而嚴重影響天線系統(tǒng)其他微波電氣性能。因此，吊裝過程中的結(jié)構(gòu)變形控制對大型天線反射體的現(xiàn)場安裝施工非常重要。如何將反射體在吊裝過程中的結(jié)構(gòu)變形控制在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，是現(xiàn)場技術(shù)人員必須解決的一個關(guān)鍵問題，也是本文研究的重點。

1 國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展情況

為了提高施工效率，節(jié)約成本，大型天線反射體施工通常采用整體吊裝的方式來實現(xiàn)反射體與天線座架之間的連接安裝。例如，2010年意大利的SRT 64 m口徑全可動天線主反射體就采用了整體吊裝方案，其現(xiàn)場吊裝如圖1所示。

圖1 意大利64 m天線反射體整體吊裝

為了控制反射體吊裝變形，該64 m天線反射體整體吊裝過程中的8個吊裝點采用了滑輪分繩方式均勻分布載荷，即在吊車的吊鉤上同時懸掛4根主繩，每根主繩的末端懸掛1個靜滑輪，每個靜滑輪再分出2個吊裝點，通過靜滑輪均勻加載應(yīng)力，防止吊裝過程中天線結(jié)構(gòu)變形。但該方法只適用于天線吊點數(shù)量少、天線質(zhì)量輕的情況。對于自身較重的反射體，若采用該方法，則吊裝點拉力較大，吊裝過程中天線反射體容易產(chǎn)生較大變形。

再如2012年，國內(nèi)某65 m天線主反射體整體吊裝時，為了控制吊裝變形，整體吊裝的12個吊點采用了環(huán)形吊具[3]等繩長的方法均勻加載應(yīng)力，即通過設(shè)計環(huán)形吊裝工裝，使設(shè)備吊裝點到環(huán)形吊具等距離的方法對吊裝拉力進行應(yīng)力均勻加載，來控制反射面結(jié)構(gòu)吊裝變形。但環(huán)形吊裝工裝作為專用設(shè)備，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造周期長，成本高，現(xiàn)場操作維護不便。

綜上所述，控制吊裝結(jié)構(gòu)變形需要技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)場吊裝設(shè)備和產(chǎn)品特點，在大型天線反射體吊裝之前進行變形控制分析和吊裝掛繩設(shè)計，提前制定好合理的技術(shù)方案和控制方法，才能在反射體整體吊裝過程中較好地控制天線結(jié)構(gòu)變形，指導現(xiàn)場施工，最終滿足天線的精度要求?；谏鲜銮闆r，本文對某70 m天線反射體結(jié)構(gòu)展開研究，試圖找到一種安全可靠、經(jīng)濟有效的施工方法來控制吊裝過程中的反射體應(yīng)力變形。

2 項目背景

某70 m大型天線反射體直徑為70 m，高21 m，質(zhì)量為450 t，反射體上16 個吊點均勻分布在直徑為23.8 m的圓上。該天線結(jié)構(gòu)形式及反射體吊裝施工狀態(tài)如圖2所示。

圖2 70 m天線結(jié)構(gòu)示意圖

在天線反射體生產(chǎn)過程中，天線結(jié)構(gòu)自身材料的不均勻性、吊裝吊耳相對于天線中心的焊接位置誤差、吊裝繩長度誤差等因素都會綜合反映到吊裝時吊繩拉力不均上。如果16個掛繩吊耳位置受力不均，天線中心體和背架就會變形，如圖3所示。

圖3 吊裝拉力不均導致的天線應(yīng)變圖

如圖3所示，利用ANSYS[4]分析得出，因吊裝拉力分布不均（差值超過150 kN），天線背架上的調(diào)整螺桿超出調(diào)整范圍（在該環(huán)節(jié)分配）±20 mm，使后續(xù)無法對天線主反射面精度進行調(diào)整，嚴重影響天線反射面的整體結(jié)構(gòu)精度。70 m天線質(zhì)量達450 t，吊點數(shù)量較多，因而無法采用滑輪均勻加載方案，而環(huán)形吊具吊裝工裝生產(chǎn)周期長，成本高，使用不便。因此，施工前需根據(jù)產(chǎn)品的具體特點和施工實際情況制定合理的方案對吊裝過程中的變形進行控制。

3 變形問題分析

根據(jù)上述項目的施工要求，要將吊裝過程中70 m大型天線反射體背架的變形量控制在20 mm以內(nèi)，就必須采取相關(guān)措施，使天線反射體吊裝時分布于中心體底面的16個吊裝點的應(yīng)力均勻化，并將吊點拉力差值控制在一定范圍內(nèi)，這樣才能滿足后續(xù)天線安裝變形指標要求。通過設(shè)計合理的掛繩方案，并采取相應(yīng)的檢測手段，使70 m天線反射體整體變形量達到施工要求。該問題可以通過相關(guān)力學計算和分析加以解決。

根據(jù)產(chǎn)品詳細結(jié)構(gòu)，通過ANSYS建立梁單元模型，在拼裝過程中天線下方的支撐點與16個吊裝點均勻分布在同一個位置。若吊裝建模約束為吊繩頂端，則單根吊繩10 kN的力差就會使整個天線反射體的整體姿態(tài)產(chǎn)生較大變形。綜合考慮天線整體姿態(tài)和背架局部變形的實際情況，折中考慮計算約束條件，對天線反射體16個吊點中的其中1個吊點沿吊繩方向加載拉力差值，對該點另一側(cè)的7個吊裝點進行約束，其力學分析結(jié)果如圖4和圖5所示。根據(jù)ANSYS力學建模分析，吊點不同拉力差對變形的影響見表1。

圖4 吊繩拉力差100 kN形成的天線應(yīng)變圖

圖5 吊繩拉力差130 kN形成的天線應(yīng)變圖

表1 不同拉力差值對反射體變形的影響

由上述分析可知，16個吊點每根鋼繩的拉力為320 kN，需要將背架變形控制在20 mm以內(nèi)，鋼繩拉力差不能大于130 kN，對應(yīng)中心體底面的變形值不能大于8.8 mm。吊點拉力差與背架變形量、吊點底面的變形量成正比。控制變形情況需要通過吊裝掛繩設(shè)計使拉力均勻化，減小結(jié)構(gòu)變形。采用相應(yīng)的檢測方法檢查底面變形量是否小于8.8 mm，這樣就能達到控制反射體吊裝變形的目的。

4 方案策劃

根據(jù)上述力學分析，進行主吊鋼絲繩掛繩設(shè)計?？紤]到吊裝鋼絲繩數(shù)量過多，采用雙錨鉤可以使鋼絲繩掛鉤拉力分布得更均勻，防止鋼絲繩相互擠壓而發(fā)生長度變化，不利于應(yīng)力的均勻分布。此次吊裝采用1 300 t級吊鉤[5]，吊鉤結(jié)構(gòu)及鋼絲繩掛繩方式設(shè)計如圖6所示。

圖6 吊車吊鉤和鋼絲繩掛繩設(shè)計示意圖

如圖6所示，吊車兩組錨鉤的每個鉤懸掛A、B兩根50 m吊繩，每根繩子中間位置掛在吊鉤上，鋼絲繩頭連接天線相鄰兩個吊點位置。要求起吊后鋼絲繩載荷相同，且能使反射體處于水平狀態(tài)，即垂直距離相等。

1）A 號鋼絲繩計算，求鉤頭懸掛點到吊點的垂直距離HA1和HA2。已知吊點到鉤頭懸掛點的水平距離為11.197 m（A1）和11.042 m（A2），設(shè)繩長LA1=a, LA2=b, a+b= 50，則鉤頭懸掛點到吊點的垂直距離為(a2?11.1972)0.5=(b2?11.0422)0.5，即((50?b)2?11.1972)0.5=(b2?11.0422)0.5，得b= 24.966 m, a= 25.034 m, HA1=(25.0342?11.1972)0.5≈22.390 m,HA2=(24.9662?11.0422)0.5≈22.391 m，則鋼絲繩A1與水平面的夾角為63.42°，鋼絲繩A2與水平面的夾角為63.75°。

2）B 號鋼絲繩計算，求鉤頭懸掛點到吊點的垂直距離HB1和HB2。已知吊點到鉤頭懸掛點的水平距離為11.027 m（B1）和11.155 m（B2），設(shè)繩長LB1=a, LB2=b, a+b=50，則鉤頭懸掛點到吊點的垂直距離為(a2?11.0272)0.5= (b2?11.1552)0.5，即((50?b)2?11.0272)0.5= (b2?11.1552)0.5，得b= 25.028 m, a= 24.972 m, HB1= (24.9722?11.0272)0.5≈22.405 m, HB2= (25.0282?11.1552)0.5≈22.405 m，則鋼絲繩B1與水平面的夾角為63.79°，鋼絲繩B2與水平面的夾角為63.53°。

A、B兩根鋼絲繩高度差最大值為0.015 m，所有鋼絲繩的夾角均大于60°。根據(jù)以往工程吊裝施工要求，對于0.03 m以內(nèi)高差，現(xiàn)場施工時可在吊裝環(huán)下方墊棉麻材料對繩長和高度進行微調(diào)，以修正載荷均勻分布狀態(tài)。

根據(jù)第3節(jié)的變形控制分析，為保證吊裝時將背架變形控制在20 mm以內(nèi)，可以采用上述總體掛繩設(shè)計來保證各段鋼絲繩受力均勻，并采用高精度跟蹤儀對中心體底面變形情況進行過程監(jiān)測，這樣就可以掌握和調(diào)整16個吊裝位置的實際受力情況。

5 現(xiàn)場施工

根據(jù)上述方案策劃情況，現(xiàn)場采用2 000 t履帶式起重機，雙錨鉤，8根Φ70 m×50 m規(guī)格的鋼絲繩對折，懸掛在反射體16個吊點上。采用萊卡高精度跟蹤儀監(jiān)測到中心體底面的實際變形在4 mm以內(nèi)，實現(xiàn)了控制吊裝應(yīng)力變形目標。按預(yù)期順利完成了70 m大型天線反射體的吊裝任務(wù)，并保證了反射體在吊裝過程中的變形量在9 mm以內(nèi)。天線反射體現(xiàn)場吊裝情況和最終面板調(diào)整精度檢測情況如圖7和圖8所示。

圖7 70 m天線反射體整體吊裝施工

圖8 70 m天線反射體最終面板調(diào)整精度云圖

70 m天線反射體最終通過高精度攝影測量和面板現(xiàn)場精確調(diào)整，反射體調(diào)整精度達到了0.35 mm（均方根），滿足了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計精度指標要求。

6 結(jié)束語

通過對70 m大型天線反射體整體吊裝變形控制方法的成功策劃和實施，天線反射體施工過程的最終變形量得到了有效控制，驗證了該方法的可靠性、可行性和安全性。該方法在技術(shù)上保證了天線反射體結(jié)構(gòu)和微波電氣性能良好，節(jié)約了大量工裝和施工成本，壓縮了項目的吊裝時間，按期完成了交付任務(wù)，并在探測任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。其成功應(yīng)用為該類大型天線反射體的吊裝變形控制施工提供了新的思路，并為該類大型設(shè)備的現(xiàn)場施工提供了重要的理論依據(jù)和實踐指導。