一體化通信塔有限元分析

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004）

隨著用戶對網(wǎng)絡信息需求量的增加和需求質量的提升，需要不斷提高網(wǎng)絡信號覆蓋的緊密程度，不斷加大網(wǎng)絡建設的投入，傳統(tǒng)基站建設需要進行地勘及土建基礎施工，且塔體和機房分開，塔體自身也需要分成多段運輸?shù)桨惭b地點，建設成本和周期較長，拆遷、搬運不便[1-3]。新型的一體化通信基站基于功能性需求的方法設計，所設計的通信基站塔體和機房是連為一體，其塔體自身、塔體和機房之間可以通過自行折疊及展開擁有運輸及運行兩種方式。通過建立一體化通信塔的ANSYS模型，對通信塔進行靜力分析和模態(tài)分析。

1 一體化通信基站的基本組成

一體化通信基站主要包括通信機房、塔體、鐵塔支撐、機房底座，以及升降塔控制裝置。配備不同的通信設備后，可滿足相應通信需求。塔體為套接結構，能夠實現(xiàn)升降功能。升降鐵塔由基節(jié)、次節(jié)和未節(jié)通過相互之間設置的升降裝置依次聯(lián)接構成。其中基節(jié)、次節(jié)和未節(jié)分別由封閉式金屬結構或桁架式金屬結構制成。升降裝置由鋼絲繩、卷揚機及滑輪組成，鋼絲繩一端固定于基節(jié)，然后依次繞過固定在次節(jié)上滑輪和在基節(jié)上滑輪后，另一端與固定在基節(jié)上的卷筒相連；其它節(jié)段按此理依次纏繞，即可完成同步升降操作，塔體通過動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、以及滑輪系統(tǒng)等實現(xiàn)自立和升降。

2 一體化通信塔ANSYS建模

目前，有限元分析法是對高聳鋼結構進行數(shù)值計算和理論研究的首選方法。單管塔受力特性主要與塔的材質、塔身高、塔身斜率及塔身截面類型有關[4]。通信塔筒身材料采用Q345鋼，連接選用4.8級螺栓連接，塔身高30 m，避雷針長度為2 m；塔身的斜率為1.7%；塔身截面為正三角形。由于通信塔模型的總單元較多，且具有大量的振型，考慮求解速度及計算的精度問題，選用四面體單元模型代替梁—桿混合模型進行建模，并采用高級函數(shù)劃分得到可靠的結果。通信塔塔體在ANSYS中的模型網(wǎng)格劃分如圖1所示，共產(chǎn)生節(jié)點總數(shù)3 017 314個，單元總數(shù)1 624 082個。

圖1通信塔塔體在ANSYS中的模型圖

3 一體化通信塔的靜力分析

根據(jù)結構的實際狀態(tài)對模型施加合理的約束條件，定義邊界條件為：固定工作站底面和通信塔底端，載荷按表1加載在塔身上，方向為Y軸朝向工作站方向。通信塔由塔底到塔頂?shù)木幪栆来螢?-5號，通信塔各段所受模擬靜力風的風力值和受力狀態(tài)如圖2所示。根據(jù)通信塔各段所承受的風力，分別進行通信塔的應力、應變和剛度分析，如圖3-圖5所示。

表1塔身所受靜風力值

圖2通信塔塔體各段受力模型

圖3通信塔應力云圖

圖4通信塔應變云圖

圖5通信塔剛性云圖

從應力云圖可知，最大應力306.08 MPa，小于屈服極限，滿足強度要求。最大應力位于塔身中部，說明塔身中部受力最大，最可能產(chǎn)生失效。從位移云圖可知，最大位移312.61 mm，位于通信塔頂部，塔高30 mm，占塔高的1.04%，變形較小。

4 一體化通信塔的模態(tài)分析

通信塔在使用過程中，為了避免發(fā)生共振問題，需要計算研究通信塔的固有頻率和振型。本文采用自由模態(tài)分析法，不額外添加約束和外載荷來求解通信塔的自由模態(tài)。通常，通信塔共振較容易在低階次頻率處發(fā)生，因此本文只提取前16階諧次，獲取其相應頻率和振型。使用ANSYS中Block Lanczos法進行計算[5-6]，由于前6階模態(tài)的固有頻率幾乎為0，為剛體模態(tài)。因此，真正有意義的模態(tài)是第7-16階模態(tài)，提取前10階非零模態(tài)的固有頻率如表2所示。

表2通信塔前10階非零模態(tài)固有頻率/Hz

通信塔的重要階數(shù)振型如圖6-圖15所示，其中塔高方向為Z向，Y向為工作站長度方向，X為YZ平面垂直方向，三者形成笛卡爾右手直角坐標系。

圖6第7階自由模態(tài)圖

圖7 第8階自由模態(tài)圖

圖8第9階自由模態(tài)圖

圖9 第10階自由模態(tài)圖

圖10第11階自由模態(tài)圖

圖11第12階自由模態(tài)圖

圖12第13階自由模態(tài)圖

圖13第14階自由模態(tài)圖

圖14第15階自由模態(tài)圖

圖15第16階自由模態(tài)圖

由圖6-圖15可知，7階模態(tài)為YOZ平面內的一彎振動，通信塔最大振幅發(fā)生在通信塔第5節(jié)塔身上，最小振幅在第4節(jié)塔身中部；8階模態(tài)為XOZ平面內的一彎振動，最大振幅發(fā)生在塔頂上，最小振幅發(fā)生在第1節(jié)與第2節(jié)塔身連接處；9階模態(tài)為YOZ平面內的一扭振動，最大振幅發(fā)生在塔頂，最小振幅發(fā)生在第1節(jié)塔身上；10階模態(tài)為YOZ平面內的二彎振動，最大振幅發(fā)生在塔頂，最小振幅發(fā)生在第2節(jié)與第3節(jié)塔身連接處；11階模態(tài)為XOZ平面內的二彎振動，最大振幅發(fā)生在塔頂，最小振幅發(fā)生在第4節(jié)塔身中部；12階模態(tài)為彎扭耦合振動，最大振幅發(fā)生在塔底，最小振幅發(fā)生塔頂；13階模態(tài)為彎扭耦合振動，最大振幅發(fā)生在塔底，最小振幅發(fā)生在第4節(jié)塔身處；14階模態(tài)為彎扭耦合振動，最大振幅發(fā)生在塔頂，最小振幅發(fā)生在第3節(jié)塔身處；15階模態(tài)為彎扭耦合振動，最大振幅發(fā)生在塔頂，最小振幅發(fā)生在第4節(jié)塔身處；16階模態(tài)為彎扭耦合振動，最大振幅發(fā)生在塔頂，最小振幅發(fā)生在第2節(jié)與第3節(jié)塔身連接處。

5 結束語

綜上分析，得出：

（1）設計一種新型的一體化通信塔，塔體和機房連為一體，塔體自身、塔體和機房之間可以通過自行折疊及展開實現(xiàn)運輸及運行兩種方式。

（2）有限元分析結果表明：一體化通信塔的應力、變形均滿足要求。

（3）對一體化通信塔進行模態(tài)分析，低階模態(tài)主要為彎曲振動，高階模態(tài)為扭轉振動以及彎扭耦合振動。

[1]王肇民，馬人樂，等.塔式結構[M].北京:科學出版社，2004.

[2]王肇民.高聳結構的發(fā)展和展望[J].特種結構，2000，(1)：17-19.

[3]胡衛(wèi)兵，何 建.高層建筑與高聳結構抗風計算及風振控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[4]屠黑男，王肇民.輕型通信塔設計[J].特種結構，2001，4(12):24-26.

[5]劉 偉，高維成，于廣濱.ANSYS 12.0寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[6]鄧平凡.ANSYS 12有限元自學手冊[M].北京：人民郵電出版社，2011.