Новый методический подход к расчету силовых элементов антенных систем

В ходе выполнения поверочных и проектных расчетов в рамках проекта «Исследование и оптимизация электрических и механических параметров многоэлементных антенных систем для цифрового телевидения» получены не только практические результаты по оптимизации силовых элементов антенных систем, но и сформулирован ряд новых положений, касающихся перспектив развития методов расчетов технических систем рассматриваемого класса. Для конкретизации отдельных положений в качестве модельного объекта рассмотрим конструкцию многоэлементной антенной системы (МАС), состоящую из расположенных на трубостойке восьми комплектов (этажей) антенных панелей, каждый из которых содержит укрепленные на суппортах четыре панели с малыми защитными чехлами (рис. 1).

Проблемы и затруднения проектных расчетов антенных систем. Выполненный анализ нормативных требований и методов проектирования позволил установить, что основные проблемы расчетов силовых элементов антенных систем связаны с отсутствием апробированных расчетных схем, позволяющих учесть аспекты действительной работы конструкций, касающиеся особенностей их деформирования и внешней аэродинамики.

Рис. 1. Конструктивный вариант МАС, содержащий восемь этажей по четыре панели

Особенности деформирования, не учитываемые в настоящее время аналитическими расчетными схемами, связаны с тем, что элементы конструкции антенной системы крепятся на трубостойке за счет сил трения между трубостойкой и элементами суппортов (С-1 и С-2 на рис. 1), величина которых зависит от усилия затяжки шпилек. Это затрудняет определение начальных условий задачи, поскольку напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкции зависит, среди прочего, от усилия затяжки P , которое, в свою очередь, требуется определить с учетом следующих факторов:

уменьшение усилия затяжки ниже заранее неизвестного значения P min приводит к уменьшению сил трения между суппортами и трубостойкой и вертикальному смещению элементов МАС (этажей) по трубостойке;

увеличение усилия затяжки выше также требующего определения значения P max имеет следствием значительные пластические деформации суппорта, что, в свою очередь, может привести на начальной стадии эксплуатации к деформированию антенных панелей, а в дальнейшем – к релаксации напряжений и повышению уровня неопределенности НДС силовых элементов.

Таким образом, усилие затяжки, с одной стороны, входит в начальные условия задачи, с другой – может быть определено только в результате ее решения.

Внешняя аэродинамика антенных систем (их взаимодействие с набегающим ветровым потоком) оказывается весьма сложной, поскольку конструкции МАС характеризуются достаточно сложной конфигурацией, содержат большое количество отверстий и щелей. Для таких конструкций характерны дополнительные вихревые воздействия, неравномерное и нестационарное распределение давлений на элементы несущей системы. Традиционный подход к учету этих воздействий заключается в использовании в соответствии с [1] аэродинамического коэффициента для расчетной схемы, соответствующей проектируемой конструкции. Однако, содержащиеся в [1] расчетные схемы не позволяют в должной мере учесть конструктивные особенности антенных систем.

Вследствие этого, можно утверждать, что внешняя аэродинамика антенных систем не регламентируется нормативными методами расчетов с достаточной для практических расчетов точностью, в связи с чем существует значительная неопределенность в условиях ветровых воздействий на элементы МАС, что усиливает риск отказов в период эксплуатации.

В результате сравнительного анализа имеющихся расчетных схем и конфигураций антенных систем сформулированы следующие две расчетные схемы ветрового воздействия (рис. 2).

В первой расчетной схеме предполагается, что ветровая нагрузка распределяется равномерно по всем наветренным поверхностям антенны, аэродинамический коэффициент равен единице.

Во второй расчетной схеме аэродинамический коэффициент определяется в соответствии со схемой 1 «Отдельно стоящие плоские сплошные конструкции» обязательного приложения 4 [1]. При этом учитывается давление на наветренные поверхности и разрежение на подветренных поверхностях.

Практические расчеты МАС с использованием этих расчетных схем позволили сделать следующие выводы.

Более тяжелые условия деформирования элементов МАС наблюдаются при использовании первой расчетной схемы, а более тяжелые условия деформирования трубостойки – при использовании второй расчетной схемы ветрового воздействия. В связи с этим рекомендуется для обеспечения гарантированной работоспособности при расчетах на прочность элементов МАС использовать первую, а при расчетах на прочность трубостойки – вторую расчетную схему ветрового воздействия.

Многовариантный иерархический подход к расчетам. Указанные проблемы и затруднения приводят к тому, что постановка задачи, ее решение и анализ результатов осуществляются в условиях значительной неопределенности относительно условий закрепления и нагружения конструкции. Указанная неопределенность, а также наличие нескольких вариантов конструктивных решений элементов суппорта и чехлов антенных панелей, приводят к необходимости многоуровневого и многовариантного подходов к постановке и решению задач.

Многоуровневость заключается в последовательном численном решении задач при следующих условиях:

• 1)    задачи первого уровня – жесткое закрепление суппорта МАС на трубостойке, ветровое давление прикладывается в соответствии с упрощенными аналитическими расчетными схемами (см. рис. 2). Эти условия позволяют определить наиболее тяжелый вариант НДС и усилия затяжки шпилек P max , соответствующие возникновению развитого пластического течения материала элементов суппортов. Правомерность жесткого закрепления суппорта на трубостойке обусловлена тем, что при таких больших усилиях затяжки шпилек исключаются условия проскальзывания суппорта по трубостойке;

• 2)    задачи второго уровня – учет условий проскальзывания суппорта МАС на трубостойке путем введения в расчетную схему и конечно-элементную модель контактных элементов, ветровое давление прикладывается в соответствии с упрощенными аналитическими расчетными схемами (рис. 2). Эти условия позволяют путем варьирования усилий затяжки шпилек определить минимальное их значение P _min, обеспечивающее отсутствие проскальзывания суппорта по трубостойке. При этих условиях предположительно НДС характеризуется наименьшими значениями напряжений и деформаций;

• 3)    задачи третьего уровня – моделирование методами вычислительной аэродинамики условий обте-

• кания конструкций МАС воздушным потоком, установление особенностей распределения ветровых давлений и их учет при расчете МАС с учетом контактного взаимодействия суппорта и трубостойки и возможности их взаимного проскальзывания. При этих условиях получаются наиболее точные оценки как требуемых усилий затяжки шпилек, так и НДС конструкции МАС.

Многовариантность заключается в том, что рассматриваются два варианта конструктивных решений суппорта;

два варианта конструктивных решений чехла панели;

два направления действия ветра (вдоль и поперек шпилек суппорта) и два варианта аналитических расчетных схем ветрового давления (для задач первого и второго уровней);

значительное (априори неизвестное, определяется в процессе решения) количество вариантов усилия затяжки шпилек (для задач второго и третьего уровня);

несколько вариантов направления действия ветра (для задач третьего уровня), число этих вариантов определяется в ходе анализа промежуточных результатов.

Таким образом, основной особенностью исследования прочности МАС является то, что адекватные оценки характеристик НДС и усилия затяжки шпилек могут быть получены только в виде диапазонов их изменения в ходе многоуровневого и многовариантного численного моделирования условий нагружения и деформирования конструкций.

Рис. 2. Антенные панели (1) с малыми ( а ) и большими ( б ) чехлами (2) и схемы нагружения: схема 1 – w ₁ = 5,69 кПа; w ₂ = 0 кПа; схема 2 – w ₁ = 4,552 кПа; w ₂ = 3,414 кПа; стрелкой обозначено направление потока ветра; на схемах нагружения показан вид сверху

Принципиальные преимущества использования иерархического многовариантного подхода к расчетам антенных систем заключаются в том, что в рамках проектных расчетов выполняется исследовательская работа по изучению и обеспечению требуемых характеристик конструкций, позволяющая снизить неопределенность поведения проектируемых объектов и га- рантировать требуемый уровень эксплуатационной надежности.

Библиографическая ссылка

1. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. М. : ОАО «ЦПП», 2009. 44 с.

S. V. Doronin, E. M. Sigova, Yu. P. Pokhabov, N. P. Sharin, O. Yu. Krotov

NEW METHODICAL APPROACH TO CALCULATION LOAD-BEARING ELEMENTS OF ANTENNA SYSTEMS

There are discussed problems and difficulties of design calculations for load-bearing elements of antenna systems. Main propositions for multivariant hierarchical approach to reasoning mechanical characteristics of designed antenna are formulated.