基于ANSYS的铁塔基座强度分析与结构优化

生开明,王 宁

(山东信息职业技术学院 智能制造系，山东 潍坊 261061)

0 引言

近年来，我国经济的快速增长带动了通信行业的迅猛发展，铁塔基座是通信工程中常见的基础支撑结构，各行各业对通信铁塔的需求也逐渐增多。目前的通信铁塔正向结构多样化、功能集成化、空间高层化方向发展，在铁塔结构设计过程中，静态分析极为重要，不但决定结构尺寸，还为疲劳分析、整体稳定性分析提供参考依据[1]。现实中，通信铁塔工作环境复杂多样，常常发生因基座环境恶劣而导致倒塔和塔材断裂的事故，严重影响通信系统的正常运行和周边环境安全。因此，本文运用ANSYS Workbench进行有限元分析与优化，重点对铁塔基座的结构进行静力学分析，找出基座受力较大、容易发生疲劳破坏的结构部位，为设计人员确定结构尺寸提供理论指导，避免因铁塔基座结构不合理而导致安全事故的发生。

1 有限元分析

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，是目前国际上最流行的有限元分析软件之一[2]。该软件主要包括前处理模块、分析计算模块和后处理模块3个部分。利用ANSYS软件能够对机械模型进行仿真模拟计算，通过应力、应变云图直观展示构件的性能特点，从而为解决机械结构中常见的问题提供理论依据。基于ANSYS的有限元分析基本流程如图1所示。

图1 有限元分析流程

1.1 实体建模

ANSYS软件可建立简单的二维或三维物理模型，但对于比较复杂的工程实际问题，其三维建模能力较弱，因此，本文选择建模功能更强大的SolidWorks软件对铁塔基座进行实体建模，然后再将模型数据导入ANSYS中[3]。在建模时保持实体特征的独立性，根据铁塔基座的实际结构特征及受力情况对对结构强度影响较小的圆角、倒角及螺纹等辅助特征进行简化处理。在SolidWorks建立的铁塔基座三维模型如图2所示。

图2 铁塔基座三维模型

1.2 有限元模型

将图2所示的三维模型导入ANSYS Workbench中，为提高计算分析的有效性，根据铁塔基座的实际情况定义材料Q235、弹性模量2×1011Pa、泊松比0.3、密度7.85 g/cm3。利用Workbench的自动划分网格功能划分模型。自动划分是在四面体与扫掠型划分之间自动切换，当几何体不规则时无法被扫掠，程序将自动产生四面体单元，反之，如果几何体规则可以被扫掠，程序就自动产生六面体单元[4]。

应用Solid186单元可以自适应模型的网格划分，划分网格后的模型如图3(a)所示，为提高分析的精确度，将单元格尺寸大小设置为5 mm，共产生节点13 185个，生成单元7 154个，单元质量良好，能够满足分析要求。根据铁塔基座的实际受力情况，给模型添加相应的约束和载荷，基座底部法兰圆盘通过16个高强度螺栓与地面固定，立柱是16面体的棱柱结构。将底部法兰受螺栓的拉力进行简化处理，对法兰施加固定约束，对立柱添加等效力来代替实际工作中受到的侧倾力。添加约束和载荷后的模型如图3(b)所示。

图3 铁塔基座有限元模型

1.3 静态结构分析

铁塔基座的静态分析结果如图4所示。由图4(a)可知：在铁塔基座发生侧倾变形时，铁塔顶部存在最大变形，其值为0.03 mm，在立柱与法兰的接触位置，最大变形值为0.01 mm，远小于许用变形量[f]=H/2 000=0.13 mm(其中，H为立柱的垂直高度，本模型尺寸H=260 mm)。由图4(b)可知：对铁塔基座加载后的最大等效应力也出现在铁塔顶部，其值为105.94 MPa，小于材料的屈服强度235 MPa。

图4 铁塔基座有限元分析结果

综合来看，铁塔基座的强度和刚度满足使用要求，但考虑到实际的铁塔立柱高度远高于仿真模型，且立柱面上往往附加有其他设备，会极大增加铁塔基座疲劳破坏的风险，缩短铁塔基座的使用寿命，因此，需要对危险面进行结构优化，进一步提高铁塔基座的安全性及使用寿命。

2 结构优化分析

由上述分析可知，铁塔基座易发生破坏的部位是底部法兰基座与立柱接触处，因此对该部位结构进行优化设计，如图5(a)所示，在底部法兰与立柱接触部位使用加强肋板架构，肋板的数量与底部螺栓孔一致，以便均匀分担载荷。将模型导入ANSYS中划分网格，划分的方法及单元参数与原模型保持一致，共产生节点16 822个、单元9 214个，单元质量较高，能够满足分析要求，图5(b)为划分网格后的有限元模型。

图5 优化后的铁塔基座模型

铁塔基座底部的加强肋板是采用焊接的形式固定于立柱与法兰之间，且肋板的材料与铁塔基座保持一致，由于肋板是与底部法兰共同作用支撑立柱，因此，为了与原模型保持对比，对肋板和法兰施加固定约束，这也与铁塔基座的实际安装要求相符；同样对立柱添加与原模型相同的等效力来代替实际工作中受到的侧倾力。添加完约束和载荷后，进入后处理程序分析求解，求解结果如图6所示。

如图6(a)所示，当对铁塔基座的立柱施加一定的侧向载荷时，在铁塔顶部存在最大变形，其值为0.016 mm。基座底部由于加强肋板的作用，发生的变形较小，其值为0.007 mm，考虑到肋板的作用是提高立柱与法兰底座的强度和刚度，是一个辅助作用，而立柱与底部法兰的变形量几乎不计，完全在许用变形量范围内。可以看出，与原模型的最大变形量相比，优化后的铁塔基座自身结构变形量大大减小，优化效果良好。

如图6(b)所示，在加强肋板的作用下，在立柱与法兰间出现了应力集中，最大应力为55.786 MPa，原来集中于立柱顶端的应力转移到加强肋板上，大大减小了立柱自身的应力，当肋板出现破损或安全隐患时，可以通过焊接或其他处理方法进行加固，从而可以提高铁塔基座自身的强度和刚度，延长其使用寿命。同时也能够提前消除隐患，为维修保养人员带来极大便捷。

图6 铁塔基座结构优化后分析结果

3 结束语

通信工程中常用的铁塔基座常常处于风吹日晒、狂风暴雨等恶劣环境，对铁塔基座自身结构的安全性提出了更高的要求[5]。通过建立铁塔基座的三维模型，利用ANSYS优化分析软件，模拟铁塔基座受到侧倾力的影响，找出容易发生变形及出现最大应力的部位。分析结果显示，在结构优化前，即基座没有加强肋板时，最大变形量和最大等效应力均出现在立柱顶端，且均在合理范围内。当在立柱与法兰间设计加强肋板后，最大变形量出现在立柱顶端，且小于优化前的数据；在加强肋板处产生了应力集中，最大等效应力也小于优化前的数据。

针对易发生破坏的部位，采用加强肋板结构，通过ANSYS分析发现，当施加相同的侧倾力时，出现较大变形及应力集中的部位转移到加强肋板上，且数值远小于原模型，结构优化效果明显。因此，建议通信工程中的铁塔基座采用加强肋板结构，能够减小变形及应力集中，提高铁塔基座自身工作的安全性，延长其使用寿命。