封閉前后航天發(fā)射塔回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)特性分析

賈立德，涂國(guó)勇，鄭永煌，吳 非，李 婷

（中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心試驗(yàn)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(chǎng)重要的地面設(shè)備之一，是運(yùn)載火箭在地面順利完成測(cè)試發(fā)射的最后一道保障手段，尤其是其回轉(zhuǎn)平臺(tái)部分，需要及時(shí)、準(zhǔn)確、安全、可靠的實(shí)現(xiàn)展開(kāi)合攏動(dòng)作，保證運(yùn)載火箭的順利測(cè)試與發(fā)射。

風(fēng)是建筑結(jié)構(gòu)的主要控制載荷[1，2]。對(duì)于航天發(fā)射塔這類對(duì)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(gè)不容忽視的重要因素。風(fēng)對(duì)航天發(fā)射塔回轉(zhuǎn)平臺(tái)的影響可以分為不隨時(shí)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(tái)表面的靜力載荷及繞流問(wèn)題[3，4]，它使回轉(zhuǎn)平臺(tái)產(chǎn)生彎曲變形，影響回轉(zhuǎn)平臺(tái)的最大展開(kāi)合攏允許速度值；風(fēng)的非定常部分使回轉(zhuǎn)平臺(tái)在風(fēng)速方向發(fā)生振動(dòng)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)對(duì)陣風(fēng)的響應(yīng)主要集中在低頻[5]。同時(shí)，航天發(fā)射塔固定平臺(tái)還會(huì)對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)附近風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生干擾[6]。因此，回轉(zhuǎn)平臺(tái)在風(fēng)作用下會(huì)產(chǎn)生非常復(fù)雜的變形和振動(dòng)。

分析求解航天發(fā)射塔回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)固有頻率和振型，是進(jìn)行風(fēng)作用下回轉(zhuǎn)平臺(tái)可靠性安全性分析的基本前提[7]。本文利用有限元軟件對(duì)航天發(fā)射塔回轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行了建模分析，求解計(jì)算了回轉(zhuǎn)平臺(tái)的固有頻率和振型，為回轉(zhuǎn)平臺(tái)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(tái)的基本結(jié)構(gòu)

臍帶塔回轉(zhuǎn)平臺(tái)共分為4組，每組回轉(zhuǎn)平臺(tái)又由左右兩聯(lián)組成?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)以液壓系統(tǒng)為動(dòng)力源，齒輪齒條傳動(dòng)。回轉(zhuǎn)平臺(tái)既可每組單獨(dú)動(dòng)作，也可4組同時(shí)動(dòng)作。

臍帶塔回轉(zhuǎn)平臺(tái)最初設(shè)計(jì)采用空間鋼架結(jié)構(gòu)。而為了保障火箭測(cè)試工作的環(huán)境要求，后續(xù)對(duì)火箭工作區(qū)進(jìn)行了封閉，即在回轉(zhuǎn)平臺(tái)鋼架結(jié)構(gòu)外側(cè)利用彩鋼板及保溫材料實(shí)現(xiàn)封閉。臍帶塔回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

然而，封閉在改善回轉(zhuǎn)平臺(tái)環(huán)境保障能力的同時(shí)，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(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的影響。封閉前后的回轉(zhuǎn)平臺(tái)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(tái)

圖2 航天發(fā)射塔回轉(zhuǎn)平臺(tái)實(shí)物

3 回轉(zhuǎn)平臺(tái)有限元建模

回轉(zhuǎn)平臺(tái)的有限元建?？梢苑譃閹缀文Ｐ偷慕ⅰ⒕W(wǎng)格的劃分、約束的施加以及分析求解4個(gè)基本步驟。

由于實(shí)際的回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此建模時(shí)對(duì)其進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。對(duì)于回轉(zhuǎn)平臺(tái)的非承力件，如欄桿，加注供氣管路等進(jìn)行了省略。模型簡(jiǎn)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(jiǎn)化模型和原結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(lì)作用下，兩者的動(dòng)力響應(yīng)應(yīng)盡可能保持相近；

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

對(duì)簡(jiǎn)化的實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)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(tái)有限元模型如圖3所示。所建立的有限元模型共有30000個(gè)板殼單元，370個(gè)體單元，2000個(gè)梁?jiǎn)卧?。下部回轉(zhuǎn)平臺(tái)的有限元模型具有相似的建模過(guò)程和方法，此處不再贅述。

圖3 上部回轉(zhuǎn)平臺(tái)有限元模型

4 回轉(zhuǎn)平臺(tái)動(dòng)特性分析

4.1 上部回轉(zhuǎn)平臺(tái)計(jì)算結(jié)果

上部回轉(zhuǎn)平臺(tái)封閉前后的前4階固有頻率計(jì)算結(jié)果如表1所示。上部回轉(zhuǎn)平臺(tái)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(tái)固有頻率及振型

圖4 上部回轉(zhuǎn)平臺(tái)封閉前的前4階振型圖

圖5 上部回轉(zhuǎn)平臺(tái)封閉后的前4階振型圖

4.2 下部回轉(zhuǎn)平臺(tái)計(jì)算結(jié)果

下部回轉(zhuǎn)平臺(tái)封閉前后的前4階固有頻率計(jì)算結(jié)果如表2所示。下部回轉(zhuǎn)平臺(tái)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(tái)固有頻率及振型

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)航天發(fā)射塔回轉(zhuǎn)平臺(tái)封閉前后固有頻率和振型的計(jì)算及對(duì)比分析，可以得出以下基本結(jié)論：

（1）封閉沒(méi)有改變回轉(zhuǎn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)振型。

由回轉(zhuǎn)平臺(tái)的固有頻率及振型計(jì)算結(jié)果可以看出，封閉前后其前4階振型是一一對(duì)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(shuō)明回轉(zhuǎn)平臺(tái)封閉后的基本結(jié)構(gòu)振型沒(méi)有發(fā)生改變。

（2）封閉后的回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)固有頻率降低。

圖6 下部回轉(zhuǎn)平臺(tái)封閉前的前4階振型圖

圖7 下部回轉(zhuǎn)平臺(tái)封閉后的前4階振型圖

從計(jì)算結(jié)果可以看出，封閉后的回轉(zhuǎn)平臺(tái)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(jì)算結(jié)果看，封閉后的回轉(zhuǎn)平臺(tái)固有頻率遠(yuǎn)離風(fēng)的激振頻率，不會(huì)因?yàn)轱L(fēng)荷載而引起激振。但考慮到計(jì)算過(guò)程中的簡(jiǎn)化和計(jì)算誤差等因素的影響，風(fēng)對(duì)封閉后回轉(zhuǎn)平臺(tái)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(tái)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(jìn)行了對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)風(fēng)荷載可能引起的影響進(jìn)行了分析，為對(duì)回轉(zhuǎn)平臺(tái)的實(shí)際操作具有參考價(jià)值。

然而，風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用和影響是十分復(fù)雜的。瞬時(shí)風(fēng)作用下回轉(zhuǎn)平臺(tái)的瞬態(tài)響應(yīng)分析與計(jì)算，回轉(zhuǎn)平臺(tái)的封閉結(jié)構(gòu)對(duì)其風(fēng)場(chǎng)模型的反作用和影響等都是回轉(zhuǎn)平臺(tái)可靠性安全性分析需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題?！?/p>

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