基于ANSYS的高耸桅杆结构优化设计

刘鹏

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

1 引言

高耸桅杆结构形式种类较多，主要应用于军用通信天线、输电线塔、导航塔、航空指挥塔等高耸结构。由于桅杆结构通常高度较高，主要荷载为风荷载，设计过程中要考虑降低结构风阻，减小迎风面积，仿真计算时主要校核风荷载作用下的结构强度和刚度，以保证结构安全。

2 高耸桅杆结构建模及分析

图1 桅杆有限元模型

2.1 桅杆模型的建立

以某一通信天线为例，应用ANSYS 软件APDL 参数化建模方法建立桅杆结构有限元模型。如图1 所示，桅杆结构采用桁架结构形式，三方纤绳沿桅杆高度方向均匀分布，共5 层，每层纤绳仰角为45°，保证其对桅杆杆身的支承作用，以及不致使纤绳的拉力对杆身造成较大的压力荷载；桅杆横截面为三角形，边长2.7m，桅杆高度150m，共50 节，每节高度为3m。纤绳采用钢芯钢丝绳，弹性模量为1.4×105MPa。为了降低桅杆结构风阻，所有杆件均采用圆形钢管材料，以减小体型系数，抗拉强度为375MPa。

2.2 有限元模型单元类型

模型共采用三种单元，BEAM188、PIPE16、LINK10。桅杆主杆为梁单元BEAM188，取两种尺寸参数，底部30节为外径0.351m的钢管，顶部20 节为外径0.299m的钢管；横杆和斜杆为管单元PIPE16，纤绳为线单元LINK10，单元参数如表1 所示。

表1 桅杆有限元模型单元参数

2.3 荷载及约束加载

桅杆和纤绳根部采用固定约束，并对整个桅杆结构施加重力荷载。风荷载属于表面荷载，计算中将风荷载等效地施加在结构节点上。桅杆风荷载以节点力的形式加载在每节桅杆主杆和横杆交汇的节点上。纤绳风荷载以节点力的形式加载在每个线单元的节点上。风压是随着桅杆高度而变化的，沿高度方向将风荷载分为5 种，基本风压为0.9kN/m2，根据风荷载公式［1］，计算每一高度风荷载节点力如表2 所示。

表2 桅杆所受风荷载

风荷载计算公式：ωk=βzμsμzω0

对纤绳划分网格时，使同一高度上纤绳节点数相同，由于纤绳截面尺寸、迎风面积、风压相同，所以纤绳在相同高度所受风荷载节点力相同，如表3 所示，为纤绳所受风荷载节点力沿高度方向分布情况。

表3 每层纤绳节点数及所受风荷载等效节点力 /N

为了使纤绳不会发生松弛现象，应该对纤绳施加合适预拉力，约为钢丝绳最小破断拉力的15%，取值为171kN。纤绳的预拉力可以用线单元初应变形式加载，根据初应变公式［2］，计算纤绳单元初应变为0.0012。

3 计算结果

图2 桅杆轴力分布图

由于纤绳为非线性材料，在结构分析中采用几何非线性和材料非线性的方法，分析大变形和预应力效应。分析结果如图2 所示，为桅杆轴力分布图，纤绳最大拉力发生在最外层为539.28kN，小于纤绳最小破断拉力。通过计算桅杆根部主管受压，最大压力179.3MPa；顶部主管受拉，最大拉力198.2MPa，小于钢管抗拉强度，故桅杆强度满足设计要求。如图3 所示，为桅杆位移分布图，纤绳最大位移1.944m，桅杆顶部沿风荷载方向最大位移0.5148m，按文献［1］中的规定，风荷载作用下桅杆结构总体位移限值为高度的1/75［1］，即为2m，故桅杆刚度满足设计要求。

图3 桅杆位移分布图

4 高耸桅杆结构优化设计

由分析结果可以看出，桅杆杆件钢管的参数能够满足强度要求，纤绳最大受力分布在最外层纤绳，内层纤绳受力相对较小，故可以对纤绳分布形式和参数进行优化，进而提高桅杆结构设计的合理性。优化后的纤绳采用共锚设计，纤绳2、3 层共用一个锚点，4、5 层共用一个锚点，以减少桅杆占地面积，单元参数如表4 所示。

表4 优化后桅杆有限元模型单元参数

桅杆杆件所受风荷载同优化前相同，纤绳由于直径发生改变，故每层纤绳所受风荷载的节点力不同，其值如表5所示。不同参数纤绳最小破断拉力不同，故每层纤绳施加预拉力也不同，分别为99.45kN、171kN、262.5kN。

表5 每层纤绳节点数及所受风荷载等效节点力 /N

图4 桅杆轴力分布图

分析结果如图4所示，为桅杆轴力分布图，纤绳最大拉力发生在最外层为350.63kN，小于纤绳最小破断拉力1750kN，安全性得到了很大提高。通过计算桅杆根部主管受压，最大压力201.5MPa；顶部主管受拉，最大拉力173.4MPa，小于钢管抗拉强度，故桅杆强度满足设计要求。如图5 所示，为桅杆位移分布图，纤绳最大位移1.191m，桅杆顶部沿风荷载方向最大位移0.482m。

图5 桅杆位移分布图

5 结论

基于ANSYS 有限元软件对高耸桅杆结构进行了静力学分析，建立了桅杆结构有限元模型，提出了利用线单元初应变效应对纤绳施加预拉力的方法，分析了桅杆在重力荷载和风荷载共同作用下的受力分布和位移分布情况，通过分析看出桅杆纤绳最大受力发生在最外层，最里层纤绳受力最小。在强度和刚度满足要求的情况下对结构进行了优化，优化后纤绳采用共锚设计，减少了桅杆的锚点数量和占地面积，节约了成本。纤绳参数也进行了优化，增大了外层纤绳截面直径，减小内层纤绳截面直径，外层纤绳受力减小，而最小破断拉力增加，使桅杆结构强度更加可靠。纤绳预拉力的增加使桅杆刚度增大，桅杆顶端沿风荷载方向位移相应减小。对高耸桅杆结构有限元仿真计算及优化设计，为类似高耸结构设计提供了参考，具有重要的工程实际意义。

［1］GB50135-2006，高耸结构设计规范［S］.

［2］刘鸿文.简明材料力学［M］.北京：高等教育出版社，2008：45-51.

［3］李黎明.ANSYS 有限元分析实用教程［M］.北京：清华大学出版社，2005：76-91.

［4］叶先磊，史亚杰.ANSYS 工程分析软件应用实例［M］.北京：清华大学出版社，2003：253-265.

［5］尚晓江.ANSYS 有限元高级分析与范例应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2008：301-320.

［6］李黎明.ANSYS 有限元分析实用教程［M］.北京：清华大学出版社，2005：76-91.