FAST舱停靠平台升降立柱的结构设计与力学分析

贾彦辉，石伟朝，李建军，王宇哲

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081）

0 引言

FAST工程是利用天然喀斯特洼地建设的500 m口径、张角120°的球面射电望远镜，项目场址位于贵州省黔南平塘县大窝凼，如图1所示[1-2]。FAST工程由于巨大的空间跨度，在接收机与反射面之间难以建立高精度的刚性连接[3-4]。望远镜在直径为600 m的圆周均布6个支撑塔。采用6根支撑索将馈源舱悬吊于空中，支撑索经支撑塔上的导向滑轮与地面上的驱动设备连接，通过驱动设备来改变支撑索的长度，拖动馈源舱在百米尺度大工作空间内运动，并将馈源定位于瞬时焦点，实时地达到mm级高精度定位。实现对天体的高精度指向跟踪观测[5-7]。

舱停靠平台是馈源舱建造组装、入港停靠、维护、检测和支撑索系统安装和更换的工艺平台[8]，建在主动反射面中心底部的FAST的开挖中心处。

图1 FAST总体示意图

1 升降立柱的结构设计

升降立柱作为舱停靠平台的主体支撑装置，共有3个分别按照120°相互间隔，均匀分布在直径ϕ10 300 mm的圆周上，并与地基上的预埋地脚螺栓连接。

升降立柱是舱停靠平台的主要承载机构，由外立柱、内立柱、舱对接支座、过渡连接板、螺旋升降装置、尼龙导向块及限位等部分组成；内立柱法兰上安装有可拆卸的M30螺母（材料40Cr），螺母通过螺栓与内立柱法兰连接，内、外立柱对接时采用20个M30螺栓（8.8级）与螺母连接固定，如图2所示。

升降工作通过具有自锁功能的螺旋升降装置来实现，在外立柱顶端的过渡连接板上装有尼龙滑套，与内立柱形成上滑动副；在内立柱的底部四周安装尼龙导向块与外立柱四周的导向槽形成下滑动副，通过上、下滑动副实现内立柱轴向双点定位。升降立柱在工作状态高度为5 020 mm，收藏状态高度为3 497 mm（含基础高100 mm），螺旋升降装置行程为1 670 mm。升降立柱在极限位置具有双重电限位和机械限位等多重保护。

外立柱采用钢板焊接成方形结构，外形尺寸为660 mm×660 mm，壁厚为16 mm，高度为3 270 mm，质量为1.6 t。上部外侧焊接法兰，支撑环梁搭接在接口上部，侧面与法兰用螺栓固定，底部法兰与基础上地脚螺栓连接，四周加工有导向槽，导向槽侧面安装不锈钢导轨，如图3所示。内立柱由舱对接支座、圆筒、连接法兰、导向块及可拆卸螺母等部分组成。圆筒截面尺寸ϕ402 mm×24 mm，高度2 245 mm，质量为1.05 t。

图2 升降立柱结构图

舱对接支座由T型平台、定位锥、缓冲器、缓冲器支座、压力传感器、调整板及O型圈等组成，T型平台焊接在内立柱上部，上端安装定位锥，下部安装缓冲器与压力传感器。缓冲器用于缓解馈源舱下落过程中的振动冲击，压力传感器（承载力20 t）用于检测馈源舱下落时与支座的对接压力，馈源舱入港对接时定位锥受到压力向下滑动，同时缓冲器起到缓冲作用把力传递到压力传感器上并输出压力数据。舱对接支座与T型平台无缝接触，通过压板、螺栓把对接支座与T型平台压实。如图4所示。

定位锥平面高出T型平台上平面53 mm，当压力传感器的压力为10 t时缓冲器的压缩量为53 mm，压力11.8 t时缓冲器压缩量为63 mm，馈源舱（质量为30 t），称馈源舱重量时在定位锥上端增加10 mm厚的调整板，完全入港后对接座与T型平台平面之间存在10 mm间隙，此时压力传感器的读数为馈源舱实际重量（该工况很少用），不承受馈源舱重量时拆除调整板。

缓冲器采用起重橡胶缓冲器，结构简单、维护保养容易、可靠性高；环境温度为-30～65°C时能正常工作。型号为HX-250，缓冲容量2.5 kN·m，最大允许冲击力118 kN；最大缓冲行程63 mm，质量为6.5 kg（含支座）。

压力传感器额定载荷20 t，型号LF-4A，外形尺寸116 mm×116 mm×82mm，工作温度-30～+70°C。

图3 外立柱

图4 舱对接支座结构图

2 升降立柱的结构分析及有限元模型建立

在升降立柱结构设计的基础上，基于ANSYS Workbench软件进行静力学分析，对升降立柱的网格划分采用CFD流体网格划分，建立升降立柱的有限元模型，其特点是在平滑结构处网格较稀疏，细小结构处网格划分较细密，如图5所示。在选择有限元实体单元过程中，等效为实体单元Solid45。

图5 升降立柱的有限元模型

升降立柱力学分析中边界条件的确定。以底面为约束面，其承受的载荷主要包括自身重力以及在舱索连接及舱索隔离和入港对接等工况下所承受的垂直、水平载荷。以下分别针对处于上述2种工况下的升降立柱进行力学分析。

2.1 舱索连接及舱索隔离工况

此种工况下升降立柱所承受的载荷如表1所示。其中垂直载荷作用于升降立柱顶部T型平台上平面，水平载荷作用于顶部T型平台的侧面。

表1 升降立柱的承受载荷

针对表中载荷进行补充说明。

（1）表中水平载荷即舱索连接及舱索隔离工况下的最大索拉力，取单个升降立柱所承受的水平索拉力约为最大索拉力的1/3；分析过程中考虑极端情况，取水平载荷为最大索拉力，此处已考虑了一定的安全余量。

（2）分析中水平载荷为水平索拉力和风载荷同时存在的极端情况。

（3）表中垂直载荷同样为各种载荷同时存在的极端情况。

基于此进行升降立柱在舱索连接及舱索隔离工况下的力学分析，分析中对内立柱和外立柱的壁厚进行了充分的优化，其分析结果如图6所示。

图6 该工况下的变形和应力

从上述升降立柱的分析结果可以得出：在舱索连接及舱索隔离工况下升降立柱的分析过程中，升降立柱的最大应力为182 MPa，其安全系数为1.9，升降立柱的最大变形为14.348 mm。

2.2 入港对接工况

此种工况下升降立柱所承受的载荷如表2所示。其中垂直载荷作用于升降立柱顶部T型平台上平面。

表2 升降立柱的承受载荷

基于此进行升降立柱在舱索连接及舱索隔离工况下的力学分析，分析中对内立柱和外立柱的壁厚进行了充分的优化，其分析结果如图7所示。

从上述升降立柱的分析结果可以得出：在舱索连接及舱索隔离工况下升降立柱的分析过程中，升降立柱的最大应力为16.7 MPa，其安全系数为21.6；升降立柱的最大变形为0.2 mm。

图7 该工况下的变形和应力

3 结束语

本文采用结构有限元分析软件ANSYS Workbench，可对FAST舱停靠平台升降立柱进行结构的快速化有限元建模。升降立柱处于不同的工况时，主要关注其结构强度，保证在此工况下升降立柱的安全性；在保证安全性的前提下，升降立柱的变形同样仅作为辅助考察指标。另外从分析的结果可以看出升降立柱满足设计强度需求。