閆佳麟，李曉亮，高永強(qiáng)，杜文嫚（保定泰爾通信設(shè)備抗震研究所，保定 071051）

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單管塔檢測(cè)安裝固定裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

閆佳麟，李曉亮，高永強(qiáng)，杜文嫚
（保定泰爾通信設(shè)備抗震研究所，保定 071051）

在單管塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性測(cè)試試驗(yàn)中，測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性不僅決定于采集數(shù)據(jù)所用的傳感器的自身性能的優(yōu)劣，而且對(duì)于傳感器的固定方式及其穩(wěn)定性的要求也很高。以動(dòng)力特性測(cè)試用傳感器固定裝置為研究對(duì)象，在滿足測(cè)試使用要求的基礎(chǔ)上利用HyperMesh有限元分析軟件對(duì)該裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模和有限元分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了合理優(yōu)化，然后通過Solidthinking Inspire對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，得出了理想的優(yōu)化結(jié)果。最后，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真優(yōu)化的可靠性和有效性。不僅保證了安裝固定裝置的質(zhì)量和功能要求，而且縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)約了制造成本。

鐵塔檢測(cè)；優(yōu)化；有限元；夾具設(shè)計(jì)

單管塔的動(dòng)力特性檢測(cè)對(duì)傳感器的安裝質(zhì)量要求很高，它是準(zhǔn)確穩(wěn)定采集數(shù)據(jù)的保證。由于塔形的限制，單管塔測(cè)試的傳感器的布點(diǎn)相對(duì)困難，需要固定裝置有足夠的牢固性和穩(wěn)定性。目前，國(guó)內(nèi)鐵塔檢測(cè)常用的傳感器固定方法有磁座、壓板、抱箍及各類粘合劑等，綜合考慮單管塔動(dòng)力特性的測(cè)試實(shí)際情況，選用抱箍類安裝方式。

初步設(shè)計(jì)的傳感器固定裝置是通過鋼帶將傳感器的安裝板固定在單管塔塔體上，主要由截面為0.5 mm×40 mm的鋼帶、10 mm厚的鐵芯和M12螺栓等零部件組成。后經(jīng)實(shí)際使用后發(fā)現(xiàn)，樣件的設(shè)計(jì)存在質(zhì)量缺陷。經(jīng)過幾次測(cè)試使用后，鐵芯會(huì)變形，螺桿經(jīng)常出現(xiàn)滑絲、彎曲等現(xiàn)象，安裝零件需要時(shí)常更換。

分析初步設(shè)計(jì)的缺陷如下：試驗(yàn)安裝過程中，鐵芯的受力較大，并在其底部加工連接點(diǎn)處產(chǎn)生破壞；螺桿在鋼帶環(huán)向力作用下受到較大的彎矩，很難避免產(chǎn)生彎曲和滑絲等現(xiàn)象。在對(duì)設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，若設(shè)計(jì)結(jié)果強(qiáng)度過大勢(shì)必會(huì)增加裝置的重量，使用不便并增加了成本。然而在開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，人工對(duì)零件強(qiáng)度的校核與修改，又很難一次性滿足要求，可能會(huì)導(dǎo)致耗時(shí)和巨大的迭代量。文獻(xiàn)［1～2］中提出一種基于有限元法（FEM）的計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。在對(duì)安裝裝置的工況要求初步分析后，利用有限元分析軟件HyperMesh 和Inspire對(duì)其進(jìn)行厚度和拓?fù)鋬?yōu)化［3］。

1 安裝件的設(shè)計(jì)與受力分析

在滿足傳感器安裝固定裝置功能性要求的基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)采用等強(qiáng)度理論對(duì)其進(jìn)行受力分析并進(jìn)行構(gòu)件截面尺寸的確定。因?qū)嶋H使用的需要，安裝固定裝置所需的鋼帶截面尺寸宜為0.5 mm×40 mm，鋼帶材質(zhì)為Q235鋼，由此可計(jì)算在工作極限狀態(tài)下，鋼帶所受拉力設(shè)計(jì)值由式（1）計(jì)算所得，其值約為4 000 N，進(jìn)而計(jì)算確定滿足軸向力所需的螺栓規(guī)格為M8螺栓。

Fmax= A·Rmax（1）

式中：Fmax為鋼帶傳遞的最大拉力，A為鋼帶橫截面積，Rmax為抗拉強(qiáng)度（設(shè)計(jì)值210 Mpa/m2）

對(duì)安裝件進(jìn)行靜力分析。以一側(cè)鐵芯為受力分析對(duì)象，可以看出鐵芯所受的主要外力來源有兩個(gè)方面：一是在鋼帶作用下，在鐵芯底部位置所產(chǎn)生的拉力Fl；另外一方面是由于螺桿上緊固螺母移動(dòng)，對(duì)鐵芯在其上部螺栓孔位置所產(chǎn)生的壓力作用Fl’，如圖1所示?？梢钥闯?，由于兩個(gè)作用力存在高度差，所以除了對(duì)鐵芯的主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉力作用效應(yīng)外，還使鐵芯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使得鐵芯產(chǎn)生了垂直向上的力Fs。若沒有結(jié)構(gòu)來抵消這個(gè)作用力，則此作用效應(yīng)的存在會(huì)使得傳感器安裝固定裝置樣件在試驗(yàn)中出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)損傷現(xiàn)象。因此，為了避免這一缺陷，對(duì)結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，增加了滑道的設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖1　鐵芯靜力分析

圖2　鐵芯和滑道示意圖

圖3　Fs與α的關(guān)系

實(shí)際安裝中，由于單管塔的主管是變截面構(gòu)件，即其截面直徑隨高度變化而變化，導(dǎo)致鐵芯在滑道中的位置也不同，同時(shí)受加工精度的影響，使得鐵芯受到鋼帶產(chǎn)生的拉力Fl與鐵芯長(zhǎng)度方向存在作用角α，假設(shè)其變化范圍為0°～30°，通過計(jì)算可得鐵芯需抵消的力Fs與角度α的關(guān)系［4］，如圖3所示。由于α≤30°，則當(dāng)α=0時(shí)，螺桿傳遞力Fl’=Flx=Fl，達(dá)到最大值；Fly=0，此時(shí)鐵芯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角連接處所受應(yīng)力最大，相應(yīng)的滑道也受到最大應(yīng)力。根據(jù)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論，以此時(shí)鋼帶所受拉大為其極限拉力，并以之作為邊界條件對(duì)安裝固定裝置進(jìn)行有限元分析，可避免結(jié)構(gòu)過設(shè)計(jì)而導(dǎo)致的材料浪費(fèi)。

2 有限元分析優(yōu)化

2.1 厚度優(yōu)化

將改進(jìn)設(shè)計(jì)后的安裝固定裝置在SolidWorks中建模，并將所建模型導(dǎo)入Hypermash中抽取中面，進(jìn)行殼單元網(wǎng)格劃分，并對(duì)其加載載荷工況，計(jì)算其在滿足剛度要求的所需最小厚度［5］。

鐵芯與滑道的有限元?jiǎng)澐峙c載荷工況如圖4所示。鐵芯與滑道加工材料均采用常見的Q235鋼，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 900 kg/m3。模型施加的載荷工況均為鋼帶的極限拉力4000N，優(yōu)化條件為應(yīng)力210 MPa，將材料厚度設(shè)為目標(biāo)函數(shù)，計(jì)算結(jié)果顯示鐵芯的上部螺栓孔位置處結(jié)構(gòu)厚度為13 mm，鐵芯底部高度為11 mm，滑道壁厚為2.5 mm。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4　厚度優(yōu)化結(jié)果

安裝件材料的厚度滿足應(yīng)力要求，確保在受到鋼帶的極限拉力下安裝件也不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度問題。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，可計(jì)算出滑道和鐵芯的總質(zhì)量為大約為1.635 kg，質(zhì)量?jī)?yōu)化效果理想。但由于其整體的優(yōu)化厚度是按極限強(qiáng)度為條件進(jìn)行計(jì)算的，所以固定裝置的不受力部分仍有質(zhì)量?jī)?yōu)化空間。為得到最優(yōu)解，還需要對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到最科學(xué)的材料分布。

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化

將厚度優(yōu)化后的模型導(dǎo)入到Solidthinking Inspire中，對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。載入模型后將鐵芯與滑道配合好，再對(duì)其施加實(shí)際使用中的載荷工況，即鋼帶與螺栓施加的大小均為4 000 N，方向相反的拉力。將計(jì)算結(jié)果材料分布調(diào)節(jié)在40%～60%之間，可得出優(yōu)化后的固定裝置的大致輪廓，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的材料分布情況［6］，綜合加工工藝和外觀設(shè)計(jì)，對(duì)原始模型進(jìn)行最終的結(jié)構(gòu)修正。修正后的鐵芯底板厚度為2.5 mm，并且去除了鐵芯和鐵槽中不受力區(qū)域的材料分布，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果與修正結(jié)果如圖5所示。

圖5　拓?fù)鋬?yōu)化和修正結(jié)果

2.3 優(yōu)化結(jié)果復(fù)核

為了對(duì)優(yōu)化結(jié)果強(qiáng)度進(jìn)行最終復(fù)核，將修正結(jié)果建模，對(duì)其進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格的劃分后重新導(dǎo)入Hypermash進(jìn)行靜力分析。得到了連接件受載荷后的應(yīng)力云圖，如圖6所示。計(jì)算結(jié)果顯示固定裝置總質(zhì)量為0.38 kg，構(gòu)件在遭受鋼帶的極限拉力時(shí)，最大應(yīng)力為206 MPa。因此，改進(jìn)不但在原設(shè)計(jì)結(jié)果基礎(chǔ)上節(jié)約了材料，減低了質(zhì)量，而且使用強(qiáng)度也完全滿足使用要求，驗(yàn)證了優(yōu)化的可行性。

圖6　固定裝置實(shí)體網(wǎng)格模型應(yīng)力云圖

3 結(jié)語

現(xiàn)場(chǎng)的鐵塔動(dòng)力特性檢測(cè)中，傳感器的安裝采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)后的安裝件。與最初設(shè)計(jì)相比，改進(jìn)后的裝置質(zhì)量大大減小且攜帶方便，總質(zhì)量比最初設(shè)計(jì)減小了72%，減輕了重量并降低了成本；在強(qiáng)度方面完全滿足使用要求；盡管螺栓由M12換為M8，但在滑道的作用下，沒有再次出現(xiàn)螺桿彎曲、滑絲等問題，為數(shù)據(jù)穩(wěn)定有效的采集提供了保障，驗(yàn)證了有限元分析和優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。

固定裝置的設(shè)計(jì)中采用了這樣一種思路［7～10］，即仿真計(jì)算與優(yōu)化和設(shè)計(jì)相結(jié)合，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正和指導(dǎo)。通過對(duì)安裝件的有限元分析，可得到其在額定工況下的受力情況，從而得到明確的優(yōu)化方向。厚度優(yōu)化與拓?fù)鋬?yōu)化的作用在于可準(zhǔn)確得到安裝件在受額定載荷下的最優(yōu)解，從而得到滿足工況要求的材料分布結(jié)果，減小材料成本和試件質(zhì)量，并縮短了設(shè)計(jì)周期。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化給出的是兩種互補(bǔ)的概念性設(shè)計(jì)理念，但二者與有限元分析的有機(jī)結(jié)合，不失為一種有效的解決途徑。

［1］ Aditya Gudipati， Daniel Perry， Li Erran Li， et al. SoftRAN：Software Defined Radio Access Network［D］. Palo Alto： Stanford University， 2013.

［2］ 程瑩. SDN與NFV的協(xié)同應(yīng)用研究［J］. 電信技術(shù)，2015（7）.

［3］ 趙河，華一強(qiáng)，郭曉琳. NFV技術(shù)的進(jìn)展和應(yīng)用場(chǎng)景［J］. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2014（6）.

［4］ 薛海強(qiáng)，張昊. 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化及其標(biāo)準(zhǔn)化［J］.中興通信技術(shù)，2015（2）.

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Qorvo聯(lián)手NanoSemi演示針對(duì)大規(guī)模MIMO應(yīng)用的超寬帶線性化功能

5月26日，Qorvo聯(lián)手NanoSemi共同宣布，他們演示了行業(yè)領(lǐng)先的超寬帶線性化解決方案以及用于無線基礎(chǔ)設(shè)施的氮化鎵（GaN）功率放大器。

Qorvo的QPA2705是一款集成式GaN驅(qū)動(dòng)器和GaN Doherty功率放大器，擁有30 dB增益、44 dBm P3 dB、35% PAE，平均輸出功率為37 dBm，采用6×10 mm緊湊型表貼封裝，適用于下一代大規(guī)模MIMO應(yīng)用。采用QPA2705集成式GaN驅(qū)動(dòng)器和GaN Doherty功率放大器，結(jié)合NanoSemi的專利數(shù)字補(bǔ)償算法，使得這兩家公司取得了輝煌的成果。（漆惠）

Design and optimization of fixing device for single-pipe tower test

YAN Jia-lin， LI Xiao-liang， GAO Yong-qiang， DU Wen-man
（Baoding TTL Anti-seismic Research Institute of Telecommunication Equipment， Baoding 071051， China）

In single-pipe tower structure dynamic characteristic test， the accuracy and reliability of test data depends not only on a good performance of the sensor， but also the stability of fixing device of the sensor. With the sensor fi xing device for dynamic characteristics test as the research object， fi rstly， getting the model and size optimization results by HyperMesh according to the requirements of the test. And then obtained the topology optimization results by Solidthinking Inspire. Finally， the reliability and validity of simulation has been proved by applying the result to the model. This design ensures the quality and function of fi xed device requirements， shortens design cycle and saves the manufacturing cost effectively.

tower test； optimizatio； fi nite element； fi xture design

TN929.5

A

1008-5599（2016）06-0045-04

2016-03-11