大型转台的力学仿真和结构优化设计

俞力峰，申 振

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225001)

大型转台的力学仿真和结构优化设计

俞力峰，申 振

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225001)

对大型一维测试系统转台的平台结构进行了强度刚度仿真分析，发现在偏心负载的情况下，局部变形大，应力集中问题突出，存在一定的安全隐患。通过在平台底面设置圆形轨道，并在轨道的8个均布位置设置非线性弹性支承轮提供支撑力，优化了整个平台的受力情况，改变了钢平台在工作中所受的约束条件，大大提高了其动力学特性，保障了转台的安全平稳运行。

力学分析；有限元分析；弹性支承；非线性弹性支承轮

0 引 言

大型一维测试系统转台是根据某项目调试、测试需求所提出的，其实际回转直径达到11 m，实际负载达33 t。此测试转台主要由转台主体、伺服控制柜、动力电缆、桅杆舱室等组成，其中转台为一维方位转动，由基座、转台台面、传动装置、伺服控制系统等组成，桅杆舱室主要包括桅杆舱、空调、照明、冷却管路和电缆管路等。除了需要通过双电机消隙伺服控制来保证转台的转动方位精度，平台本身也需要一定的刚度和强度来减小在偏心负载和一定量的风载作用下结构变形对转台指向精度的影响。因此，需要通过力学仿真和结构优化来分析和优化结构设计的不足之处。

图1为一维测试系统转台总体结构示意图，露天平台的2个矩形冷源重量分别达到3 t，内部设备重量可达6 t，上层舱体结构的重量也达到了12 t。其中，由9个大型焊接钢构件拼装而成的大型平台为支撑上部结构和转台回转主要受力件(如图2)，其结构设计尤为重要。本文主要通过对钢平台的强度刚度分析来研究钢平台的承载力学性能，通过在钢平台底部设计圆形轨道，并添加弹性支撑的方式来优化钢平台的受力情况，以降低偏心载荷和风力矩带来的安全风险。

图1 一维系统转台总体结构示意图

图2 拼装式钢平台

1 强度刚度分析

钢平台的强度刚度分析需要计算支撑架在受最大静载荷情况下的应力和变形值。强度分析通过Von Mises准则校核：

(1)

式中：σvM为Mises应力；σ1、σ2、σ3为第一、第二、第三主应力；σc为临界应力值[1]。

变形值不应对内部非金属零件造成影响。

转盘模型参考8片拼装结构，加强筋的布置和抗弯性与设计结构保持一致，并在周围设置防倾覆支撑轨道。为简化建模和计算过程，对转盘的拼装结构采用了一体化处理，删除了一些安装孔。为了不影响计算可信度，对拼装处进行了弱化处理，最后总体尺寸最大处为9 000 mm，厚度为300 mm，结构总重9 t。

在载荷加载之前按照实际情况划分加载区域如图3所示，材料密度为7 800 kg/m3，弹性模量为208 Gpa，泊松比0.28，网格划分采用四面体。

图3 简化后的平台示意

首先在转盘中心安装回转支撑的位置和防倾覆轨道支撑位置加载位移约束，再加载重力载荷；然后按照实际载荷布置加载冷源、舱体结构和中心柱位置，加载压力载荷共24 t；最后加载因风力载荷产生的倾覆力矩200 000 Nm，加载方向为载荷偏心方向以模拟极限状态。载荷加载效果如图4所示[2,4]。

图4 载荷加载示意图

Mises应力及位移计算结果如图5、图6所示。

图5 Mises应力云图

图6 位移云图

由仿真计算可知，在没有轨道支撑的情况下，转盘的最大应力达到138 Mpa，发生在斜支撑根部，最大变形位移达到12 mm。

2 结构优化

根据以上计算结果，转盘在极限载荷下存在较大安全隐患。考虑在平台底部加装一环形轨道，并利用弹性支撑轮平均分布在周圈8个位置提供支撑。支撑的形式为将支撑轮倒置固定在水泥基座上，轨道则跟随转盘转动。其中支撑轮的结构形式如图6所示。上部为滚轮和轮座，中间段为套筒和导杆，下部为可以调节高度的机床垫铁。其中弹性组件由碟簧通过一定方式组合而成，安装在套筒内的导杆上，具有非线性弹性特性，其弹性特征如图7所示。组合碟簧非线性弹性特性如图8所示。

图7 弹性支撑轮

图8 组合碟簧非线性弹性特性

安装时将支撑轮预压至弹性拐点位置，这样在转台转动过程中，可以有效平衡由于偏心载荷造成的偏心距，同时又能减小因轨道面的高度不一致造成的支撑力不均匀的情况。其中，碟簧的承载能力为：

(2)

式中：P为碟簧的载荷；t为碟簧厚度；D为碟簧直径；f为单片碟簧厚度；h0为蝶形弹簧压平时变形量的计算值；E为弹性模量；μ为泊松比；K1、K4为试验参数，可以查表获得[3]。

可知碟簧具有变形量小、弹性刚度大、体积小、可以重叠使用的特性，非常适合本转台的应用。因此，在一维测试系统转台安装到位后，舱内设备安装前，将弹性支撑轮预压缩至弹性拐点位置，并调节底下的机床垫铁使轮子与轨道接触。等到舱内设备和冷源安装到位后将预压缩的8组弹性支撑轮释放，这样每个轮组的支撑力保持在同一大小范围。

3 验证计算

根据此支撑结构，相同方式加载边界条件的基础上，在轮轨的圆周上8处均匀分布位置加载相应的支撑力[5]，Mises应力及位移计算结果如图9、图10所示。

图9 加弹性轮支撑后的Mises应力云图

图10 加弹性轮支撑后的位移云图

根据计算结果，转盘的最大位移为3 mm，最大位移位于安装冷源伸出结构处。但是由于弹性轮的支撑，应力集中区域由斜支撑根部转移至冷源的安装位置处。该处的主梁受力较大，产生较大应力集中，最大应力为98.9 MPa，但也远小于材料的屈服应力。上部桅杆舱体由于安装面分布于平台周边，接触面较大、较分散，变形和应力都很小。中心立柱处由于结构较强，也未出现较大变形和应力。因此，该结构的设计合理，强度足够，验证了滚轮支撑结构形式的合理性。

4 结束语

本文通过对钢平台进行力学分析和有限元仿真，发现原有结构形式在极限载荷作用下存在应力集中和结构变形位移大的问题。作为一维系统测试状态的主要承力和转动构件，该部分结构的强度和刚度对整个转台的安全平稳精准运行起着至关重要的作用。通过在钢平台底面加装圆形轨道，并均布加载弹性滚轮支撑的设计，显著改善了钢平台结构的应力集中和变形位移情况。其中非线性弹性支承轮能够抵消一部分偏心载荷、附加力矩和重力，使得钢平台和回转支承的受力情况大大得到改善。弹性支承轮的设计是转台能够安全平稳运行的有力保障，该结构形式安全可靠，设计合理。

[1] 王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003.

[2] 张建伟.ABAQUS 6.12有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2014.

[3] 成大先.机械设计手册:第3卷[M].5版.北京：化学工业出版社，2008.

[4] 熊霞元，程亚静，李杨，等.大型单轴转台两种轴系结构的有限元分析[J].航空精密制造技术，2012,48(4):48-50.

[5] 石志东，张守云.基于有限单元法结构滚轮支撑约束问题分析[J].机械工程师，2010(3):107-108.

MechanicsSimulationandStructureOptimizationDesignofLarge-scaleTurnTable

YU Li-feng,SHEN Zhen

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

This paper performs the strength and stiffness simulation analysis to the platform structure of large-scale one dimension test system turn table,discovers that the local deformation is large,the stress concentration problem is obvious and definite potential safety hazard exists in the case of eccentric load.By setting circular orbit on the bottom of the platform and installing nonlinear elastic support wheels at eight evenly distributed positions of the track to provide supporting force,the force condition of whole platform is optimized,the constraint condition that the steel platform suffered is improved,its dynamic characteristics is increased greatly,the safety and stable operation of the turntable are ensured.

mechanics analysis;finite element analysis;elastic support;nonlinear elastic support wheel

TP391.7

B

CN32-1413(2017)05-0113-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.026

2017-07-10