封闭前后航天发射塔回转平台结构动特性分析

2013-09-19贾立德涂国勇郑永煌

载人航天 2013年4期

贾立德，涂国勇，郑永煌，吴非，李婷

（中国酒泉卫星发射中心试验技术部，兰州732750）

1 引言

航天发射塔是典型的大型、高耸建筑结构，是航天发射场重要的地面设备之一，是运载火箭在地面顺利完成测试发射的最后一道保障手段，尤其是其回转平台部分，需要及时、准确、安全、可靠的实现展开合拢动作，保证运载火箭的顺利测试与发射。

风是建筑结构的主要控制载荷[1，2]。对于航天发射塔这类对可靠性、安全性有极高要求的重要建筑结构而言，风是影响其保障能力的一个不容忽视的重要因素。风对航天发射塔回转平台的影响可以分为不随时间变化的定常部分和由阵风及大气湍流引起的非定常部分[3]。定常风的作用可以归结为研究垂直于回转平台表面的静力载荷及绕流问题[3，4]，它使回转平台产生弯曲变形，影响回转平台的最大展开合拢允许速度值；风的非定常部分使回转平台在风速方向发生振动，回转平台对阵风的响应主要集中在低频[5]。同时，航天发射塔固定平台还会对回转平台附近风场产生干扰[6]。因此，回转平台在风作用下会产生非常复杂的变形和振动。

分析求解航天发射塔回转平台结构固有频率和振型，是进行风作用下回转平台可靠性安全性分析的基本前提[7]。本文利用有限元软件对航天发射塔回转平台进行了建模分析，求解计算了回转平台的固有频率和振型，为回转平台在风作用的可靠性安全性分析奠定了基础。

2 回转平台的基本结构

脐带塔回转平台共分为4组，每组回转平台又由左右两联组成。回转平台以液压系统为动力源，齿轮齿条传动。回转平台既可每组单独动作，也可4组同时动作。

脐带塔回转平台最初设计采用空间钢架结构。而为了保障火箭测试工作的环境要求，后续对火箭工作区进行了封闭，即在回转平台钢架结构外侧利用彩钢板及保温材料实现封闭。脐带塔回转平台结构如图1所示。

然而，封闭在改善回转平台环境保障能力的同时，也使得其结构自重增加，结构受风面积增大，从而增大了风对回转平台的影响。封闭前后的回转平台如图1所示。封闭后的航天发射塔照片如图2所示。

图1 封闭前后的航天发射塔回转平台

图2 航天发射塔回转平台实物

3 回转平台有限元建模

回转平台的有限元建模可以分为几何模型的建立、网格的划分、约束的施加以及分析求解4个基本步骤。

由于实际的回转平台结构比较复杂，因此建模时对其进行了适当的简化。对于回转平台的非承力件，如栏杆，加注供气管路等进行了省略。模型简化的基本原则为：

①保持结构的整体质量不变，力求使简化模型和原结构的动力特性（主要是低阶频率）尽可能保持一致；

②在同样的外界激励作用下，两者的动力响应应尽可能保持相近；

③由于结构整体振动模态对外界激励的影响占主导地位，因此模型的简化主要是忽略实体结构中的丰富的局部振动模态。

对简化的实体结构进行几何建模，然后在建立的几何模型上划分有限元网格，最终建立的上部回转平台有限元模型如图3所示。所建立的有限元模型共有30000个板壳单元，370个体单元，2000个梁单元。下部回转平台的有限元模型具有相似的建模过程和方法，此处不再赘述。

图3 上部回转平台有限元模型

4 回转平台动特性分析

4.1 上部回转平台计算结果

上部回转平台封闭前后的前4阶固有频率计算结果如表1所示。上部回转平台封闭前后的前4阶振型分别如图4、5所示。

表1 上部回转平台固有频率及振型

图4 上部回转平台封闭前的前4阶振型图

图5 上部回转平台封闭后的前4阶振型图

4.2 下部回转平台计算结果

下部回转平台封闭前后的前4阶固有频率计算结果如表2所示。下部回转平台封闭前后的前4阶振型分别如图6、7所示。

表2 下部回转平台固有频率及振型

4.3 计算结果分析

通过对航天发射塔回转平台封闭前后固有频率和振型的计算及对比分析，可以得出以下基本结论：

（1）封闭没有改变回转平台的结构振型。

由回转平台的固有频率及振型计算结果可以看出，封闭前后其前4阶振型是一一对应的，虽然固有频率的大小产生了一定的变化，但振型是相似的，这就说明回转平台封闭后的基本结构振型没有发生改变。

（2）封闭后的回转平台结构固有频率降低。

图6 下部回转平台封闭前的前4阶振型图

图7 下部回转平台封闭后的前4阶振型图

从计算结果可以看出，封闭后的回转平台结构固有频率有所降低，从而在一定程度上降低了结构在外荷载作用下的可靠性安全性。自然风的激振频率一般是0.5Hz左右，虽然从计算结果看，封闭后的回转平台固有频率远离风的激振频率，不会因为风荷载而引起激振。但考虑到计算过程中的简化和计算误差等因素的影响，风对封闭后回转平台的影响在任务中仍然需要引起重视。