FAST主動(dòng)反射面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

1緒論1

1.1背景1

1.2FAST項(xiàng)目的功能和重要性2

1.2.1國(guó)際領(lǐng)先的射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)2

1.2.2FAST項(xiàng)目的系統(tǒng)構(gòu)成3

1.2.3FAST項(xiàng)目的重要意義5

1.3FAST主動(dòng)反射面系統(tǒng)5

1.3.1索網(wǎng)支承結(jié)構(gòu)5

1.3.2反射面單元6

1.3.3促動(dòng)器6

1.3.4防噪墻和擋風(fēng)墻6

1.3.5健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)6

1.4FAST反射面支承結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀7

1.4.1主動(dòng)反射面支承結(jié)構(gòu)的形式選擇7

1.4.2下拉索方案8

1.4.3面索網(wǎng)的網(wǎng)格形式9

1.4.4溫度場(chǎng)10

1.5工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)10

2基準(zhǔn)球面態(tài)和工作拋物面態(tài)的找形分析13

2.1引言13

2.2FAST主動(dòng)反射面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)球面找形研究13

2.2.1FAST主動(dòng)反射面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型分析13

2.2.2基于FAST特點(diǎn)的基準(zhǔn)球面找形方法研究15

2.3FAST主動(dòng)反射面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主動(dòng)工作拋物面變位研究19

2.3.1主動(dòng)工作拋物面變位介紹19

2.3.2工作拋物面選取20

2.3.3主動(dòng)工作拋物面變位的程序模塊編制21

2.3.4主動(dòng)工作拋物面變位的算例22

2.4小結(jié)23

3反射面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)疲勞分析和拉索疲勞試驗(yàn)研究24

3.1疲勞分析24

3.1.1基于FAST特點(diǎn)的疲勞統(tǒng)計(jì)方法研究24

3.1.2FAST索網(wǎng)拉索的疲勞次數(shù)統(tǒng)計(jì)26

3.1.3FAST索網(wǎng)疲勞統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)分析29

3.2新型鋼索設(shè)計(jì)及超高應(yīng)力幅疲勞試驗(yàn)研究34

3.2.1超高應(yīng)力幅耐疲勞鋼索的總體試驗(yàn)研究方案35

3.2.2基材鋼絲的疲勞試驗(yàn)研究36

3.2.3現(xiàn)有鋼絞線的疲勞試驗(yàn)研究38

3.2.4前期新型鋼索的設(shè)計(jì)及組裝件試驗(yàn)研究40

3.2.5后期單根鋼絞線疲勞實(shí)驗(yàn)研究及鋼索的設(shè)計(jì)46

3.3小結(jié)48

4FAST反射面索網(wǎng)支承結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化與分析50

4.1基于初始基準(zhǔn)態(tài)的正高斯曲率索網(wǎng)形控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法50

4.1.1技術(shù)方案50

4.1.2具體實(shí)施方式52

4.1.3有益效果54

4.2FAST標(biāo)準(zhǔn)球面基準(zhǔn)態(tài)索網(wǎng)優(yōu)化分析55

4.2.1FAST拉索和連接節(jié)點(diǎn)的類型、規(guī)格和參數(shù)55

4.2.2FAST索網(wǎng)優(yōu)化分析模型及參數(shù)57

4.2.3FAST工作和荷載條件58

4.2.4索網(wǎng)優(yōu)化方法59

4.2.5優(yōu)化原則和參數(shù)5

4.2.6FAST標(biāo)準(zhǔn)球面基準(zhǔn)態(tài)索網(wǎng)優(yōu)化分析60

4.2.7設(shè)計(jì)溫變±25℃條件下拋物面工作態(tài)的索網(wǎng)驗(yàn)算62

4.2.8若干因素對(duì)索網(wǎng)的優(yōu)化和性能的影響64

4.3滑動(dòng)鋼圈桁架優(yōu)化設(shè)計(jì)71

4.3.1鋼圈桁架優(yōu)化設(shè)計(jì)條件和原則71

4.3.2標(biāo)準(zhǔn)球面基準(zhǔn)態(tài)的滑動(dòng)鋼圈桁架優(yōu)化設(shè)計(jì)71

4.3.3面索網(wǎng)工作應(yīng)力幅75

4.4模態(tài)分析77

4.4.1分析方法77

4.4.2分析結(jié)果77

4.5風(fēng)振分析79

4.5.1結(jié)構(gòu)風(fēng)振動(dòng)力分析方法79

4.5.2分析參數(shù)79

4.5.3平均風(fēng)靜力分析80

4.5.4風(fēng)振響應(yīng)統(tǒng)計(jì)81

4.5.5設(shè)計(jì)極限風(fēng)速84

4.6斷索分析86

4.6.1斷索分析方法和分析工況86

4.6.2斷索分析結(jié)果87

4.6.3斷索分析結(jié)論92

4.7鋼桁架柱和鋼圈桁架的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)92

4.7.1節(jié)點(diǎn)概況92

4.7.2鋼桁架柱的節(jié)點(diǎn)93

4.7.3鋼圈桁架的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)95

4.8索網(wǎng)連接節(jié)點(diǎn)95

4.8.1連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造95

4.8.2連接節(jié)點(diǎn)承載力分析98

4.9小結(jié)101

5FAST反射面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)施工技術(shù)103

5.1周圈鋼構(gòu)的施工方法103

5.1.1工程概況103

5.1.2施工重點(diǎn)和難點(diǎn)分析105

5.1.3周圈鋼結(jié)構(gòu)總體施工方法105

5.2索網(wǎng)的施工技術(shù)107

5.2.1索網(wǎng)施工特點(diǎn)107

5.2.2索網(wǎng)總體施工方案108

5.3索網(wǎng)施工理論與分析117

5.3.1理論分析概述117

5.3.2施工過(guò)程分析基本理論與方法118

5.3.3串聯(lián)拉索沿導(dǎo)索空中累積滑移安裝過(guò)程分析124

5.4FAST反射面索網(wǎng)施工過(guò)程分析131

5.4.1對(duì)稱軸處沿導(dǎo)索牽引安裝區(qū)索網(wǎng)施工過(guò)程分析131

5.4.2支承塔架安裝區(qū)塔架設(shè)計(jì)與施工過(guò)程分析156

5.5FAST索網(wǎng)支承結(jié)構(gòu)誤差敏感性分析163

5.5.1誤差類型163

5.5.2誤差分布模型164

5.5.3多個(gè)隨機(jī)誤差的分析方法164

5.5.4誤差效應(yīng)分析方法167

5.5.5誤差效應(yīng)分析條件167

5.5.6獨(dú)立誤差效應(yīng)分析168

5.5.7耦合誤差效應(yīng)分析（誤差條件11、12和13的對(duì)比分析）181

5.5.8本節(jié)小結(jié)184

5.6小結(jié)185

6基于力學(xué)仿真技術(shù)的FAST反射面索網(wǎng)準(zhǔn)實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)187

6.1準(zhǔn)實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)的意義187

6.2準(zhǔn)實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)的功能189

6.3準(zhǔn)實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)的模塊構(gòu)成190

6.3.1模型處理模塊191

6.3.2預(yù)運(yùn)行分析模塊192

6.3.3準(zhǔn)實(shí)時(shí)跟蹤分析模塊193

6.3.4力學(xué)仿真系統(tǒng)介紹193

6.4圖形用戶界面介紹195

7結(jié)束語(yǔ)198

參考文獻(xiàn)200 2100433B

500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱FAST），是世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，屬于國(guó)家“十一五”重大科學(xué)工程項(xiàng)目。FAST反射面由索網(wǎng)支承結(jié)構(gòu)（面索、下拉索、周圈鋼構(gòu)）、反射面單元和促動(dòng)器構(gòu)成，其最大特點(diǎn)是主動(dòng)變位，即通過(guò)促動(dòng)器主動(dòng)控制下拉索在面索網(wǎng)上形成300 m口徑瞬時(shí)拋物面以匯聚電磁波，實(shí)現(xiàn)跟蹤觀測(cè)。

作者對(duì)索網(wǎng)支承結(jié)構(gòu)展開(kāi)了系列的工程理論和應(yīng)用研究，主要內(nèi)容為：①研究了30年天文觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的面索應(yīng)力循環(huán)疲勞次數(shù)，并以500 MPa應(yīng)力幅下進(jìn)行新型耐超高應(yīng)力幅鋼索的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究；②基于索網(wǎng)為形控結(jié)構(gòu)，提出了標(biāo)準(zhǔn)球面基準(zhǔn)態(tài)優(yōu)化分析方法，優(yōu)化了拉索和周圈鋼構(gòu)的規(guī)格和預(yù)應(yīng)力，并分析了若干關(guān)鍵因素對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，進(jìn)行了模態(tài)分析、風(fēng)振分析、斷索分析、節(jié)點(diǎn)分析等；③提出了格構(gòu)柱、周圈環(huán)桁架和索網(wǎng)的施工方法，分別為：懸臂抱桿高空拼裝、分節(jié)段滑移安裝和高空溜索滑移安裝，并研究了溜索滑移施工分析和多誤差影響分析的方法，確定了施工參數(shù)和控制指標(biāo)；④基于ANSYS和MATLAB軟件，建立了準(zhǔn)實(shí)時(shí)CAE輔助控制平臺(tái)，在望遠(yuǎn)鏡調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)時(shí)評(píng)估索網(wǎng)安全性。

1 緒論

1.1 背景

1.2 FAST項(xiàng)目的功能和重要性

1.2.1 國(guó)際領(lǐng)先的射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)

1.2.2 FAST項(xiàng)目的系統(tǒng)構(gòu)成

1.2.3 FAST項(xiàng)目的重要意義

1.3 FAST主動(dòng)反射面系統(tǒng)

1.3.1 索網(wǎng)支承結(jié)構(gòu)

1.3.2 反射面單元

1.3.3 促動(dòng)器

1.3.4 防噪墻和擋風(fēng)墻

1.3.5 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.4 FAST反射面支承結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

1.4.1 主動(dòng)反射面支承結(jié)構(gòu)的形式選擇

1.4.2 下拉索方案

1.4.3 面索網(wǎng)的網(wǎng)格形式

1.4.4 溫度場(chǎng)

1.5 工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)

2 基準(zhǔn)球面態(tài)和工作拋物面態(tài)的找形分析

2.1 引言

2.2 FAST主動(dòng)反射面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)球面找形研究

2.2.1 FAST主動(dòng)反射面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型分析

2.2.2 基于FAST特點(diǎn)的基準(zhǔn)球面找形方法研究

2.3 FAST主動(dòng)反射面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主動(dòng)工作拋物面變位研究

2.3.1 主動(dòng)工作拋物面變位介紹

2.3.2 工作拋物面選取

2.3.3 主動(dòng)工作拋物面變位的程序模塊編制

2.3.4 主動(dòng)工作拋物面變位的算例

2.4 小結(jié)

3 反射面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)疲勞分析和拉索疲勞試驗(yàn)研究

3.1 疲勞分析

3.1.1 基于FAST特點(diǎn)的疲勞統(tǒng)計(jì)方法研究

3.1.2 FAST索網(wǎng)拉索的疲勞次數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.1.3 FAST索網(wǎng)疲勞統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)分析

3.2 新型鋼索設(shè)計(jì)及超高應(yīng)力幅疲勞試驗(yàn)研究

3.2.1 超高應(yīng)力幅耐疲勞鋼索的總體試驗(yàn)研究方案

3.2.2 基材鋼絲的疲勞試驗(yàn)研究

3.2.3 現(xiàn)有鋼絞線的疲勞試驗(yàn)研究

3.2.4 前期新型鋼索的設(shè)計(jì)及組裝件試驗(yàn)研究

3.2.5 后期單根鋼絞線疲勞實(shí)驗(yàn)研究及鋼索的設(shè)計(jì)

3.3 小結(jié)

4 FAST反射面索網(wǎng)支承結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化與分析

4.1 基于初始基準(zhǔn)態(tài)的正高斯曲率索網(wǎng)形控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

4.1.1 技術(shù)方案

4.1.2 具體實(shí)施方式

4.1.3 有益效果

4.2 FAST標(biāo)準(zhǔn)球面基準(zhǔn)態(tài)索網(wǎng)優(yōu)化分析

4.2.1 FAST拉索和連接節(jié)點(diǎn)的類型、規(guī)格和參數(shù)

4.2.2 FAST索網(wǎng)優(yōu)化分析模型及參數(shù)

4.2.3 FAST工作和荷載條件

4.2.4 索網(wǎng)優(yōu)化方法

4.2.5 優(yōu)化原則和參數(shù)

4.2.6 FAST標(biāo)準(zhǔn)球面基準(zhǔn)態(tài)索網(wǎng)優(yōu)化分析

4.2.7 設(shè)計(jì)溫變±25℃條件下拋物面工作態(tài)的索網(wǎng)驗(yàn)算

4.2.8 若干因素對(duì)索網(wǎng)的優(yōu)化和性能的影響

4.3 滑動(dòng)鋼圈桁架優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.3.1 鋼圈桁架優(yōu)化設(shè)計(jì)條件和原則

4.3.2 標(biāo)準(zhǔn)球面基準(zhǔn)態(tài)的滑動(dòng)鋼圈桁架優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.3.3 面索網(wǎng)工作應(yīng)力幅

4.4 模態(tài)分析

4.4.1 分析方法

4.4.2 分析結(jié)果

4.5 風(fēng)振分析

4.5.1 結(jié)構(gòu)風(fēng)振動(dòng)力分析方法

4.5.2 分析參數(shù)

4.5.3 平均風(fēng)靜力分析

4.5.4 風(fēng)振響應(yīng)統(tǒng)計(jì)

4.5.5 設(shè)計(jì)極限風(fēng)速

4.6 斷索分析

4.6.1 斷索分析方法和分析工況

4.6.2 斷索分析結(jié)果

4.6.3 斷索分析結(jié)論

4.7 鋼桁架柱和鋼圈桁架的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.7.1 節(jié)點(diǎn)概況

4.7.2 鋼桁架柱的節(jié)點(diǎn)

4.7.3 鋼圈桁架的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.8 索網(wǎng)連接節(jié)點(diǎn)

4.8.1 連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

4.8.2 連接節(jié)點(diǎn)承載力分析

4.9 小結(jié)

5 FAST反射面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

5.1 周圈鋼構(gòu)的施工方法

5.1.1 工程概況

5.1.2 施工重點(diǎn)和難點(diǎn)分析

5.1.3 周圈鋼結(jié)構(gòu)總體施工方法

5.2 索網(wǎng)的施工技術(shù)

5.2.1 索網(wǎng)施工特點(diǎn)

5.2.2 索網(wǎng)總體施工方案

5.3 索網(wǎng)施工理論與分析

5.3.1 理論分析概述

5.3.2 施工過(guò)程分析基本理論與方法

5.3.3 串聯(lián)拉索沿導(dǎo)索空中累積滑移安裝過(guò)程分析

5.4 FAST反射面索網(wǎng)施工過(guò)程分析

5.4.1 對(duì)稱軸處沿導(dǎo)索牽引安裝區(qū)索網(wǎng)施工過(guò)程分析

5.4.2 支承塔架安裝區(qū)塔架設(shè)計(jì)與施工過(guò)程分析

5.5 FAST索網(wǎng)支承結(jié)構(gòu)誤差敏感性分析

5.5.1 誤差類型

5.5.2 誤差分布模型

5.5.3 多個(gè)隨機(jī)誤差的分析方法

5.5.4 誤差效應(yīng)分析方法

5.5.5 誤差效應(yīng)分析條件

5.5.6 獨(dú)立誤差效應(yīng)分析

5.5.7 耦合誤差效應(yīng)分析(誤差條件11、12和13的對(duì)比分析)

5.5.8 本節(jié)小結(jié)

5.6 小結(jié)

6 基于力學(xué)仿真技術(shù)的FAST反射面索網(wǎng)準(zhǔn)實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)

6.1 準(zhǔn)實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)的意義

6.2 準(zhǔn)實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)的功能

6.3 準(zhǔn)實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)的模塊構(gòu)成

6.3.1 模型處理模塊

6.3.2 預(yù)運(yùn)行分析模塊

6.3.3 準(zhǔn)實(shí)時(shí)跟蹤分析模塊

6.3.4 力學(xué)仿真系統(tǒng)介紹

6.4 圖形用戶界面介紹

7 結(jié)束語(yǔ)

參考文獻(xiàn)2100433B

《FAST主動(dòng)反射面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工研究》作者羅斌、郭正興、姜鵬對(duì)索網(wǎng)支承結(jié)構(gòu)展開(kāi)了系列的工程理論和應(yīng)用研究，主要內(nèi)容為：①研究了30年天文觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的面索應(yīng)力循環(huán)疲勞次數(shù)，并以500MPa應(yīng)力幅下進(jìn)行新型耐超高應(yīng)力幅鋼索的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究；②基于索網(wǎng)為形控結(jié)構(gòu)，提出了標(biāo)準(zhǔn)球面基準(zhǔn)態(tài)優(yōu)化分析方法，優(yōu)化了拉索和周圈鋼構(gòu)的規(guī)格和預(yù)應(yīng)力，并分析了若干關(guān)鍵因素對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，進(jìn)行了模態(tài)分析、風(fēng)振分析、斷索分析、節(jié)點(diǎn)分析等；③提出了格構(gòu)柱、周圈環(huán)桁架和索網(wǎng)的施工方法，分別為：懸臂抱桿高空拼裝、分節(jié)段滑移安裝和高空溜索滑移安裝，并研究了溜索滑移施工分析和多誤差影響分析的方法，確定了施工參數(shù)和控制指標(biāo)；④基于ANSYS和MATLAB軟件，建立了準(zhǔn)實(shí)時(shí)CAE輔助控制平臺(tái)，在望遠(yuǎn)鏡調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)時(shí)評(píng)估索網(wǎng)安全性。

針對(duì)大型移動(dòng)通信衛(wèi)星和對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星對(duì)大口徑、高精度星載天線的迫切需求，本項(xiàng)目以索網(wǎng)式天線結(jié)構(gòu)為主要研究對(duì)象，開(kāi)展了天線反射面變形主動(dòng)控制方法研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：結(jié)合參變量變分理論與幾何非線性有限元方法建立了索網(wǎng)天線結(jié)構(gòu)非線性有限元模型，并基于該模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)力學(xué)分析；建立含有壓電作動(dòng)器的大型索網(wǎng)式天線結(jié)構(gòu)的機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型，給出一種適用于大規(guī)模結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制的新型快速模型預(yù)測(cè)控制方法，并利用該方法求解天線反射面變形主動(dòng)控制問(wèn)題；建立面向大型天線結(jié)構(gòu)分布式控制的有限元模型，考慮各子模塊之間的測(cè)量信息交互，提出了分布式振動(dòng)控制策略并分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；完成系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)并搭建了星載天線反射面變形主動(dòng)控制演示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了提高天線反射面型面精度主動(dòng)控制方法的有效性。研究結(jié)果表明，所提出的基于參變量變分原理的幾何非線性有限元方法比傳統(tǒng)算法具有更穩(wěn)定的收斂性和更高求解精度；快速模型預(yù)測(cè)控制方法可以高效求解大型索網(wǎng)式天線結(jié)構(gòu)的反射面變形主動(dòng)控制問(wèn)題，通過(guò)主動(dòng)控制可明顯提高反射面的型面精度；采用可擴(kuò)展的分布式控制器，大型空間天線結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能夠得到有效抑制，且控制系統(tǒng)的容錯(cuò)性能良好；通過(guò)實(shí)驗(yàn)更進(jìn)一步驗(yàn)證了主動(dòng)控制在提高天線反射面精度方面的有效性。以上研究工作為研發(fā)新一代大口徑、高精度星載天線提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，在進(jìn)一步提高和保持天線反射面精度方面有廣泛的應(yīng)用前景。 2100433B