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发布时间:2020-06-12 03:45:29

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作者:罗斌

出版社:东南大学出版社

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FAST反射面索网支承结构设计与施工研究

FAST反射面索网支承结构设计与施工研究试读:

前言

500 m口径球面射电望远镜(简称FAST),是世界上最大的单口径射电望远镜,属于国家“十一五”重大科学工程项目。FAST反射面由索网支承结构(面索、下拉索、周圈钢构)、反射面单元和促动器构成,其最大特点是主动变位,即通过促动器主动控制下拉索在面索网上形成300 m口径瞬时抛物面以汇聚电磁波,实现跟踪观测。由于FAST项目的世界级地位和对未来深空探索的深远影响,以及该工程的独创性和巨大规模,从项目提出至今的每一步,都受到世人瞩目,成为国人的骄傲。

在国家天文台主导下,有众多科研单位和企业参与到FAST项目中,在不同阶段和不同专业方向发挥各自的科技专长,为项目的持续推进和实施做出了贡献。就反射面索网支承结构,哈尔滨工业大学、同济大学和清华大学等都做了许多基础性的科研工作。2011年3月,FAST项目开始了先期的场地开挖,标志着工程进入实施阶段,但此时拉索的高应力幅疲劳问题成为FAST工程的关键技术瓶颈。经行业专家推荐和东南大学郭正兴教授的自荐,东南大学与国家天文台开始正式合作,涉及拉索材料、设计优化、施工和监控等多方面:2011年,首先开展了“高应力幅耐疲劳FAST索网用钢索可行性试验研究”和“FAST反射面索网支承结构一体化建模及疲劳性能评估”;2012年,又开展了“FAST反射面索网支承结构优化和施工技术研究”;2013年至2015年,为索网施工实施提供了技术方案和分析;2014年年底开始,与国家天文台又陆续开展了“FAST反射面运行CAE辅助平台建设”和“基于力学仿真技术的FAST反射面准实时评估系统”等研究,现与国家天文台仍在持续合作中。近日,有幸受基金的资助,我们将近6年所做的FAST项目研究成果做一整理总结,出版本书。

本书由罗斌、郭正兴和姜鹏著,各章参编人员还有:第1章阮杨捷,第2章丁磊、张春水,第3章丁磊、张晨辉,第4章王凯、张春水,第5章肖全东、刘琪、谢国瑞、朱峰,第6章沈宇洲。

由于FAST索网结构工程的独创性和特殊性,6年来的研究工作艰辛而充满激情。当我们带领研究团队努力及时完成国家天文台和施工企业的各项工作任务,每每受到赞许和鼓励时,更深切感受到:十多年始终如一地对索结构科研和工程的专注和积累,以及在众多大型工程实践中所凝聚的团队和工匠精神,是我们勇于挑战FAST工程的信心所在。当研究成果最终应用于工程实施中时,我们倍感欣慰。

在此,特向国家天文台南仁东研究员(FAST总工程师兼首席科学家)致以敬意,南总丰富的学识,孜孜不倦的工作态度,认真推敲每一个细节的研究精神,朴实的生活态度,令我们十分感动,是我辈的楷模;感谢国家天文台FAST工程团队姜鹏研究员等的信任和支持;感谢哈尔滨工业大学范峰、钱宏亮团队的理论基础性研究成果;感谢中国建筑科学研究院钱基宏研究员和东南大学仪器科学与工程学院倪江生教授的推荐;感谢同济大学和清华大学等科研单位对索网的早期预研究成果;感谢柳州欧维姆机械股份有限公司和江阴法尔胜缆索有限公司对耐超高应力幅拉索科研的支持;感谢东南大学建筑设计研究院孙逊总工及东南大学预应力团队的支持。在本书的编写和出版过程中,得到东南大学出版社丁丁同志的热心支持和帮助,谨在此深表感谢。

近日,喜闻FAST主体工程建造完成,倍感高兴,以此书为一份薄礼献给FAST项目。成书较为匆忙,难免有差错和偏颇之处,望读者谅解和指正批评,谢谢。1绪论1.1背景

中国是世界上天文学起步最早、发展最快的国家之一,有大量观测资料,在星象观测中,天文仪器一直发挥着重要的作用。中国古代的天文仪器种类繁多,各个功用也不相同,主要有用来计时的工具、用来观测星象的工具、用来制定历法的工具等几种,具有代表性的有圭表、浑天仪(图1-1)和简仪等。图1-1 浑天仪

千百年来人类只是通过可见光波段(图1-2)观测宇宙,电磁波(又称电磁辐射)是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动,其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面,能有效地传递能量和动量。电磁辐射可以按照频率分类,从低频率到高频率,包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。人眼可接收到的电磁辐射,波长在380~780 nm之间,称为可见光。只要是本身温度大于绝对零度的物体,都可以发射电磁辐射,而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。实际天体的辐射覆盖了整个电磁波段。射电望远镜是在无线电波段观测天体,几乎可以全天候、不间断地工作。来自太空天体的无线电信号极其微弱,自70多年前射电天文学诞生以来,所有射电望远镜收集的能量还翻不[1]动一页书,因此阅读宇宙边缘的信息需要大口径望远镜。图1-2 可见光波段

为了加快对宇宙探索的进程,提高中国的深空探测能力,积极参与国际竞争,中国天文界于20世纪90年代提出建造世界最大的单口径射电望远镜,它可以像一只庞大而灵敏的“耳朵”,用来捕捉来自遥远星尘最细微的“声音”,洞察隐藏在宇宙深处的秘密。1.2FAST项目的功能和重要性1.2.1国际领先的射电望远镜技术

500 m口径球面射电望远镜(简称FAST)的天线口径为500 m(图1-3),采用柔性索网作为反射面支承结构,反射面板直接铺设在球面索网上,每个面索节点通过下拉索与地面促动器连接。该望远镜工作频率在70 MHz~3 GHz之间,分辨率可达到2.9′,指向精度可达到8″。与号称“地面最大的机器”德国波恩100 m望远镜(图1-4)以及澳洲帕克斯天文台64 m望远镜(图1-5)相比,其灵敏度提高约10倍。如果天体在宇宙空间均匀分布,FAST可观测目标的数目将增加约30倍。与美国Arecibo 300 m望远镜(图1-6)相比,Arecibo的天线本身是固定在地面上的,随着地球的自转、公转,望远镜的中央指向会移动。而FAST主反射镜的每一块面板上加入实时主动控制技术,这样在观测的过程中,通过主动变形技术实时地把面板形成有效照明口径300 m的旋转抛物面。FAST的观测灵敏度比Arecibo更高,而且Arecibo 20°天顶角的工作极限,限制了观测天区,特别是限制了联网观测能力。可以预测FAST将在未来20~30年保持世界一流设备的地位,并将吸引国内外一流人才和前沿科研课题,成为国际天文学术交[2]流中心。图1-3 FAST建成后工程效果图图1-4 德国波恩100 m望远镜图1-5 澳洲帕克斯天文台64 m望远镜图1-6 美国Arecibo 300 m望远镜1.2.2 FAST项目的系统构成

根据FAST独特的工作和工程特点,将它分为了六大系统:台址勘察与开挖系统、主动反射面系统、馈源支承系统、测量与控制系统、馈源与接收机系统、观测基地建设。(1)台址勘察与开挖系统:拟对选定区域的地形、工程地质和水文地质环境等进行工程详细勘察,对FAST主动反射面整体工程区域土石方进行开挖,以及对洼地排水通道进行设计等。

1994年,中国科学家提出修建500 m单口径球面射电望远镜FAST这一想法,因为其口径超大,选址成了国家天文台首要待破解的难题。

1994年底,北京天文台(现国家天文台)牵头20所院校,提出了“喀斯特工程”。准备从中国西南无数个喀斯特地貌的凹坑中,选出一个来建大望远镜。经过认真比对遥感图,确定了约300个候选的圆坑,经过走访又筛选出80个最圆的。贵州省黔南州平塘县克度镇金科村的一个圆形洼地——大窝凼(图1-7、图1-8),成为最有力的竞争者。“凼”,音dàng,水坑的意思。图1-7 工程建设前的大窝凼洼地图1-8 平整场地后的大窝凼洼地

最终,FAST台址选定在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村的大窝凼洼地,此洼地位于北纬25.647222°,东经106.85583°,直径大约800 m,东北距平塘县城约85km,西南距罗甸县城约45km。总体位于贵州高原向广西丘陵过渡的斜坡地带,地势总体上北高南低,区域内碳酸盐岩广泛分布,岩溶峰丘、洼地、落水洞极为发育,地形起伏不平,低山地形。大窝凼洼地的山梁最高为东南侧山头,标高1201 m,洼地的最低点标高841 m,最大相对高差达360 m。洼地地表岩溶洼地发育,地形起伏大,坡度较陡,地貌类型简单,局部山体陡峭,形成陡崖和悬壁。这个“大窝凼”是一个圆形天然喀斯特洼地,这样做可以减少土石方开挖量,另外该地段有着优良的排水性、无重大自然灾害记录。水在石灰岩上削出几百米直径的“凼”。凼的底部都会有一个至少浴缸大小的水洼,这是积水向下渗透的地方。天文学家们考虑到,喀斯特地质下,积水可以从坑底渗漏出去,不至于淤积和危害天线。不过FAST的天坑里,还是开掘了一条通到“隔壁”坑里的排水道。

在中国有人烟的地区,大窝凼附近算是电波稀少的了。在FAST工程附近的另一个凼——钻过几百米的漆黑山洞,突现一座世外桃源。天坑底部种着蔬菜和庄稼,几栋木房子,狗吠鸡鸣之外,万籁无音,令人心旷神怡。这里不通电线,最近一个乡镇在5km外。射电望远镜正需要这么一处静土。附近的农民将为此搬迁。而科学家们希望减少周边人类活动,避免电波风险。最灵敏的天线相当于最娇弱的耳膜,轻声耳语对它无异于大喊。因此,未来在FAST现场工作的科学家控制使用电器。FAST的监听中心设在两道山以外。FAST获取的信号通过光纤传输到监听中心,再传送到外界,全程不能用无线装置。(2)主动反射面系统:包括一个口径500 m由近万根钢索组成的反射面索网、反射面单元、促动器装置、地锚、周圈钢结构等。反射面的索网安装在周圈环形钢桁架上,它有2225个连接节点,在面索网上安装4450个反射面单元,面索网节点下方连接下拉索和促动器装置,促动器再与地锚连接,形成了完整的主动反射面系统,能够实现实时控制下拉索形成瞬时300 m口径抛物面的功能,见图1-9和图1-10所示。图1-9 FAST主动反射面索网支承结构示意图图1-10 FAST主动反射面工作原理示意图(3)馈源支承系统:在洼地周边山峰上建造6个百余米高的支承塔,安装千米尺度的钢索柔性支承体系(图1-11)及其导索、卷索机构,以实现馈源舱的一级空间位置调整;制造直径10 m左右的馈源舱,在馈源舱内安装Stewart平台(精调并联机器人)用于二级调整;制造两级调整机构之间的转向机构,辅助调整馈源舱的姿态角。图1-11 馈源支承系统效果图(4)测量与控制系统:建设20余个毫米级精度基准站组成的测量基准网,利用10余台全站仪,对反射面位形实时扫描;利用激光跟踪仪及激光跟踪系统实现对馈源舱实时反馈的控制;建设现场总线系统,调控反射面的主动变形;建设实时检测和健康监测系统。图1-12 馈源支承系统施工首次升舱(5)馈源与接收机系统(图1-12):研制高性能的多波束馈源接收机,频率覆盖70 MHz~3 GHz。研制馈源、低噪声制冷放大器、宽频带数字中频传输设备、高稳定度的时钟和高精度的频率标准设备等。配置多用于数字天文终端设备。(6)观测基地建设:主要负责观测基地及辅助设施的建设(包括道路施工等),以确保高质量地支持望远镜的运行、观测和维护,并满足FAST工作人员的工作与生活需要。根据功能需要,观测基地的建筑计划包括综合楼、维修厂房和分散在基地及反射面周围的零星建筑等。1.2.3 FAST项目的重要意义

具有中国独立自主知识产权的FAST,是世界上正在建造及计划中的口径最大、最具威力的单天线射电望远镜,其综合体现了我国高技术创新能力。“FAST”工程于2007年7月10日获得国家发改委立项批准,隶属于国家“十一五”重大科学工程项目。它将在基础研究众多领域,例如宇宙大尺度物理学、物质深层次结构和规律等方向提供发现和突破的机遇,也将在日地环境研究、国防建设和国家安全等方面发挥不可替代的作用。其建设将推动众多高科技领域的发展,提高原始创新能力、集成创新能力和引进消化吸收再创新能力。它的建设与运行将促进西部经济的繁荣和社会进步,符合国家区域发展总体战略。

可预测FAST将在未来20年至30年保持世界领先地位。FAST所提供的机遇将把我国科学家带入射电天文学和深空探测通信的最前沿,使我国跻身世界射电天文强国的行列。同时,其主动反射面支承系统的设计与建造工程本身对于我国土木工程技术,尤其是空间结构技术的发展提供了一个巨大机遇和挑战。1.3FAST主动反射面系统

主动反射面技术是利用计算机控制调节FAST球冠反射面在射电源方向形成300 m口径的瞬时抛物面,实现天体的自动跟踪观测,它克服了Arecibo望远镜(不动球面反射面)经反射的电磁波不能汇聚于一点的缺点,简化了接收机的设计,但也增加了反射面支承结构的设计难度。该系统的组成部分主要有:索网支承结构、反射面单元、促动器、防噪墙、挡风墙和健康监测系统。1.3.1 索网支承结构

FAST反射面索网支承结构由索网和周圈钢构构成,是本书的研究对象。

索网由面索网和下拉索构成,不仅支承反射面单元,而且通过促动器控制下拉索使面索网从基准球面变形到工作抛物面,以实现反射面的主动变位。面索网按照短程线型网格(图118(e))划分方式编织成500 m口径、300 m半径的球面,四周连接于周边环形桁架上,每个面索网节点连接下拉索使其作为稳定索和控制索,下拉索下端再与促动器连接,通过控制促动器实现反射面基准态和工作态的变位。

周圈钢构由环桁架圈梁和格构柱构成。环桁架圈梁的内径为500 m,其内侧下节点与面索网连接,下侧支承在格构柱上。环桁架的一圈等标高,格构柱的高度跟随喀斯特地貌作相应变化。这种支承方案简化了面索边界的连接固定,且易于面索网格的划分;闭合的环桁架具有良好的平面内刚度,且通过改变不同高度格构柱的截面可以使得钢圈梁刚度相对均匀,总体来看结构形式相对简单,受力合理。1.3.2 反射面单元

FAST项目共需要建造4450个反射无线电波的反射面单元(图113)。每个单元为三角形结构,由背架、连接关节、调整螺栓和面板组成。背架和面板之间设置调整螺栓装置,用于面板单元装配阶段的面形调整。反射面单元为三角形结构,在单元的三个顶点上装有三个连接关节。它们安装在支承索网的节点上,形成位姿约束,并能在索网变形时,实现面板单元与索网之间的自适应滑动。图1-13 首个反射面单元现场

反射面单元结构由如下三部分组成:背架结构、檩条结构及反射面面板。面板采用厚1.5mm的冲孔铝板,透孔率不小于50%;背架全铝材料的空间网架结构,与索网节点连接部分采用不锈钢材料作为过渡件,以避免电化学腐蚀问题。1.3.3 促动器

促动器是FAST反射面调整装置,由驱动装置(电动机减速组件)和执行机构(直线位移作动器)、信号装置(限位开关)等组成。促动器的下端铰接在地面支承装置上,上端通过下拉索铰接在面索网的下方。在主控系统控制下,促动器输出伸出或收缩动作并作用在面索网上,待面索网达到要求的形状位置时,促动器停止输出伸出或收缩动作,并由其内部的自锁机构固定输出位置,从而固定索网位置。1.3.4 防噪墙和挡风墙

防噪墙位于圈梁结构上方,采用不锈钢钢丝网制成。支承结构采用两向正交正放桁架型网架,每隔一定距离设置一道平面外三角形钢支承。于支承结构上布设一定间距的横向檩条以铺设钢丝网,钢丝网边框采用镀锌角钢。

反射面四周设置挡风墙,挡风墙顶端与圈梁上表面平齐。随着山体地势的变化,挡风墙高度也相应改变。挡风墙体由彩钢板构成,其支承结构采用格构式桁架结构,每隔一定距离设置一道面外钢支承。于桁架结构上沿横向布设一定间距的檩条,彩钢板通过铆钉铆固于檩条结构上。1.3.5 健康监测系统

FAST反射面支承结构健康监测系统用于对FAST反射面上万个零部件的状态、安全和健康等进行监测,它包括传感器及数据采集子系统、结构分析及故障诊断系统、结构安全评定和时效性能诊断子系统、数据管理子系统和系统集成平台子系统等。1.4[3]FAST反射面支承结构的研究现状

早在20世纪我国的科技工作者就已经开始着手对FAST项目的研究。FAST反射面支承结构因其结构和工程的特殊性和复杂性,其结构的选型、材料的定制以及施工方案的选择都经过了反复的推敲和考证。[6]1.4.1 主动反射面支承结构的形式选择

同济大学自1994年至2001年主要对离散式主动反射面支承结构进行了理论分析及试验研究。在最初的研究中,主动反射面采用离散式结构(图1-14),整个球面由1788个曲率半径R为300 m、边长a为7.5 m的六边形球面基本单元组合而成,每一个基本单元在球面反射面体系中都是独立不变的子单元,在球面拟合抛物面运动中为一独立不变的子结构系统,并与相邻单元协调运动,基本单元靠三个两两相隔的支座支承,每个单元通过调节其下部的促动器来实现单元的变位。该结构优点是具有良好的空间刚度和整体性,基本单元易于制作、安装。图1-14 离散式结构示意图

基本单元采用两种形式:(1)刚性三角锥式网壳结构(图1-15(a)),由钢和铝合金制成,其优点是易于加工成型,缺点是结构自重大,致使下部促动器受力大,影响促动器的工作性能、精度、使用寿命、可靠性及反射面的整体造价,同时铝合金材料弹性模量小、变形大、精度低、造价高。(2)张拉整体式结构(图1-15(b)),由周边刚性杆和拉索构成,优点是克服了前一种结构形式自重大的缺点,降低了整个结构自重及促动器反力,缺点是加工成型困难。难以在FAST工程中得到很好的应用。图1-15 基本单元支承结构示意图

受到美国Arecibo望远镜反射面支承结构的启发,中国科学院国家天文台FAST研究小组于2002年提出了采用柔性拉索来支承FAST主动反射面的构想:用拉索按照一定的网格划分方式编织成球面索网以铺设反射面板,在面索节点设置若干根下拉索,下拉索的下端与促动器相连,通过调节促动器的长度来控制面索节点的位置,实现反射面从球面到抛物面的变位。与离散式结构相比,整体索网结构形式灵活,可以根据结构功能自由构成所需的结构形状,索为受拉构件,充分发挥了材料的使用效率,结构自重较轻。并且FAST主动反射面支承结构形状及边界条件比较适合于选用索网结构,索网还具有很强的变形能力,有利于实现工作时反射面的变位。通过改变下拉索的长度可以很容易弥补由于喀斯特洼地的地形复杂、高低不平带来的不足,减少了对洼地形态的要求。同时具有结构自重轻,加工、制作及安装相对[7]简单,建设周期快,成本有所降低等优点。

面板是反射面的另一个重要部分,它是望远镜用来直接接受天体辐射电磁波的,反射面板一般采用较薄的开孔铝板或铝丝网,其面外刚度很弱,因此必须在索网网格范围内设置一层支承结构,并对其进行适当的网格划分,以方便铺设反射面板,这一局部支承体系一般称为“背架结构”。背架结构自身具有一定的刚度,仅通过其角点与面索网节点相连,并且通过构造措施保证其仅以荷载的形式作用于面索节点,即在反射面变位时,背架结构不参与索网结构的共同作用。通过多种方案的深入研究对比,最终提出了由“整体索网结构+背架结[8]构”共同支承FAST主动反射面的总体方案,见图1-16所示。图1-16 FAST主动反射面示意图1.4.2 下拉索方案

在面索节点形式的研究过程中,清华大学和同济大学均采用了四边形网格划分方式的整体索网结构,每个节点下设三根牵引拉索,通过对下拉索的控制实现球面到抛物面的变位。哈尔滨工业大学空间结构研究中心对张拉整体索网结构方案进行了系统的研究,提出了改进方案,分别采用四边形网格和三角形网格划分方式,且每个面索网节点下只设一根径向控制索。对比这两种下拉索方案如下:(1)下拉索方案a(图1-17(a))的三根下拉索控制面索节点的三向位移,使工作照射范围内每个面索节点严格沿基准球面径向变位至抛物面位置,即没有切向位移,照射范围以外的区域索网形状保持不变,这种调控方式下由索网变位过程引起的索网应力响应比较大。(2)下拉索方案b(图1-17(b))的每个面索节点只设单根径向下拉索,只调控面索节点的径向变位,而不限制面索节点的切向位移,即在允许面索节点发生自适应切向位移的情况下,将照射范围内面索[9]节点调整到抛物面位置,其索网变位过程中的应力响应较小。

根据FAST的功能要求,所关心的是主动反射面与工作抛物面形状的拟合精度,只需保证索网节点调节到指定抛物面上,即只需控制索网节点径向运动,而对切向运动不需限制。同时经过计算分析发现,单根拉索在不影响实现工作态的变位调节精度的前提下,具有下拉索根数少,变位时索网应力均匀的特点,因此确定了面索下设置一根下拉索的节点形式。图1-17 下拉索方案示意图1.4.3 面索网的网格形式

FAST主动反射面支承结构的球面索网网格的形式可以分为:三角形网格和四边形网格。

采用四边形网格时,球面上的四点无法同时移到指定的抛物面上,若采用三根下拉索控制,控制量大且三根下拉索会相互影响,会影响反射面的拟合精度。采用三角形网格能较好地解决背架结构的支承问题,三角形单元可用来拟合任意曲面(包括球面和抛物面),有利于提高反射面的拟合精度。另外,三角形单元与四边形单元相比,其平面形状稳定性要好,构成的球面索网面内形状比较稳定,在工作变位过程中索网形状更易控制。因此,球面索网采用三角形单元网格划分方式。

球面三角形网格仍有多种划分方式,常见的有三向网格、凯威特型及短程线型等。FAST的寻源和跟踪会将球面索网的任意区域调节到指定抛物面上,因此从某种意义上希望球面索网的网格划分比较均匀,面索网各索段受力没有明显的主次之分,同时球面网格的种类数越少,越有利于反射面结构(包括面索、背架结构等)的加工制作。

哈尔滨工业大学的前期分析研究发现:(1)三向网格比较适合于矢跨比较小的情形,否则实际网格大小相差较大,FAST主动反射面的矢跨比(1/3.72)较大,并且网格尺寸的大小将直接影响球面背架结构与抛物面的拟合精度,因此认为三向网格不适合FAST主动反射面球面索网结构。(2)凯威特型网格划分方式对称性好,网格相对较均匀,在建筑领域常用于圆形屋顶的单层网壳结构,但是经过计算发现凯威特型网格在主肋处索网应力不均匀,出现松弛现象,同时主肋的应力也高达1000 MPa以上。(3)短程线网格仅基本网格交点与5个三角形相连,其他节点均与6个三角形相连,这种划分方式具有传力路径短的优点,索长度也比较均匀。同时短程线网格的背架结构种类数较少,应力分布比较均匀,应力较小的索单元主要分布于基本网格的交点处,基本网格对应的极个别索单元应力较大,比凯威特网格索网受力均匀,且短程线二网格为5轴对称,对称性也相对较好,因此选定短程线二网格为FAST[8]主动反射面整体支承结构的索网的最终划分方式(图1-18)。图1-18 球面三角形网格示意图1.4.4 温度场

FAST索网由于太阳方位和周围地貌环境等因素,白天结构上的阴影分布随着时间变化,使得结构的温度场分布不均匀。上午阴影遮挡较多,主要是由于山顶高峰相对集中分布在洼地的东侧。针对温度场的分布,温度监测传感器宜沿东西向布置较密,以获取温度场的梯度变化,而南北向温度则较为均匀,可稀疏布置。由于环境温度变化是影响获取准确结构特征参数的最主要因素,用于模型修正和健康监测的结构静动力参数,宜在结构温度较均匀的时刻测试,凌晨5点左[4]右则是较佳时间。1.5工程的重点和难点

1)拉索疲劳问题

FAST通过控制促动器拉伸或放松下拉索实现望远镜主动反射面索网的变位驱动。其工作实质是一种特殊的、长期的往复疲劳荷载,带来了面索网拉索的疲劳问题。因此,结构在长期变位下索的疲劳寿命是决定FAST主动反射面整体支承结构能否成功建造的关键之一。

FAST反射面在球面基准态时,索网的应力水平为500~600 MPa,从球面索网变至抛物面索网,面索应力变化分布范围为-340~130 MPa。长期主动变位工作使得FAST索网结构一直处于较高应力波动状态,对构件而言是一种特殊的、长期的往复疲劳荷载作用。按30年全年全天连续工作计算,FAST反射面结构疲劳寿命要满足47478次长时巡天跟踪观测和101950次随机独立跟踪观测,共149428次。哈尔滨工业大学曾针对国内三个厂家提供的钢绞线和钢拉杆行高应力幅作用下的疲劳试验,分析其在高应力幅作用下的疲劳性能与破坏模型,并比较不同厂家钢绞线的疲劳性能,为FAST反射面结构设计与建造选材提供参考依据。试验发现:钢拉杆的疲劳寿命要远低于钢绞线,不能满足FAST对疲劳性能的要求。只有部分钢绞线能够满足要求,为确保工程安全应改进工艺,研制适应FAST工程的高性能[5]钢绞线。

对不含周圈钢构的FAST索网模型进行初步主动变位分析,在30年的运行期间内,预计总共有至少数十万次的观测,面索网的疲劳应力幅为470 MPa。通过这部分研究可以看出,主动变位带来的疲劳分析对FAST主动反射面研究的重要性,但是它忽略了周圈钢构的影响,也没有对30年的运行期间内进行完整系统的索网拉索主动变位疲劳分析,缺乏可靠性。

结合FAST索网对钢索的特殊要求以及拉索疲劳性能的现状,在与中国科学院国家天文台FAST反射面研究组充分研讨后,提出必须设计新型钢索形式和索头形式,开展新型钢索的试验研究。本书以FAST主动反射面为主要背景并结合其他工程实践展开其整体支承结构的索网疲劳性能分析及新型耐超高应力幅疲劳的钢索试验研究。

2)索网优化设计

FAST的面索网为正高斯曲率,无法形成预张力自平衡的结构,而在面索网的外侧设置径向下拉索后,面索网和下拉索可构成预张力自平衡的正高斯曲率索网结构。另外,在工作使用中可通过促动器等设备调控下拉索的长度,促使面索网形成不同的曲面,从而实现正高斯曲率索网形控结构。

在工作使用中,载控结构是在荷载(如自重、温变、风载和雪载等)作用下被动发生位形变化而达到新的平衡状态;而形控结构为满足工作时的特定位形,不仅经受荷载作用,还在调控机构的作用下主动变位至预设的目标位形并引起内力变化。因此,形控结构的内力变化来自于两方面,即荷载变化和主动变位。

常规载控结构进行正高斯曲率索网形控结构设计的基本思路为:(1)设定已知条件,包括:索网的几何拓扑关系、拉索材料特性、荷载条件、边界约束条件、基准态和工作态的结构位形条件、拉索的容许应变和调控机构的容许载荷、拉索备选规格等。(2)初设拉索的规格和初始预张力。(3)工况分析,包括初始基准态和多个工作态。(4)拉索和调控机构的承载力验算。(5)若承载力不满足要求,则应调整拉索的截面规格和初始预张力。(6)重复步骤(3)至(5),直至迭代满足收敛标准。

采用常规载控结构的设计思路进行索网形控结构的设计,着重于工况分析,尽管思路简单,但由于形控结构的工作态工况过多,导致设计效率低,未能充分体现形控结构的工作特点。

3)周圈桁架优化设计

FAST索网结构的直径达到500 m,为超大尺度的结构,而温度变化对这类结构影响较大。不同于常规荷载作用下的变形和应力,温度变形释放,则无温度应力;反之,温度变形约束,则产生温度应力。在常规大跨钢结构工程中,为削弱温变的影响,降低温度应力,往往采用支座滑动的方式释放温度变形。

如前所述,FAST索网为形控结构,工作时通过促动器调节下拉索,使面索网主动变位至指定曲面上。也就是说,当温度变化时,工作的下拉索仍要将面索网拉至指定位置,以消除温度变形对面索网工作曲面的影响。

周圈钢桁架采用滑动支座,同较低的周边结构刚度一样,由于较柔的边界刚度,增大了索网周边的节点位移和主动变位的困难,从而导致边缘下拉拉力变化幅值大,另外还增大了索网的预应力损失;但有利的是,工作时索网内力变化幅度降低,钢支柱受力和支座反力减小。周圈钢桁架的支座形式从固支设计为滑动,其利弊尚需通过计算模拟进行进一步验证。

4)周圈钢构和索网的施工方案

FAST为超大型主动形控科学仪器,规模尺度大,结构形式特殊。反射面支承索网结构由6670根面索和2225根下拉索组成,其中面索的长度均为11 m左右,而下拉索的长度在4 m至60 m之间。施工场地在贵州山区,基础施工完毕后预留3.5 m宽的盘山公路,仅在球面底部有较为平坦的场地,球面上部均为陡峭的山体,地面场地非常粗糙。拉索在地面无法展开,无法在全场搭设大量支承架,重型吊装设备难以进入场内,高空作业量大。结构特点和场地条件决定了周圈钢构和索网安装的复杂性和挑战性。对超大直径索网的无支架、高精度安装技术将是研究的重中之重。

5)施工精度控制

FAST为高精度天文仪器,索网支承结构制作和安装的精度控制2就显得异常重要。索网总球面面积约252456 m,面索长度较短,约11 m,根数多达6670根。大量的拉索,在现场难以由工人自行调节索长误差。一旦结构安装完成,难以对索网再进行大规模的调整。索体弹性模量、索网和背架自重、面索综合无应力长度、边界节点坐标、下拉索地锚节点坐标的误差都会对索网最终成型精度造成影响。因此需进行误差敏感性分析,确定敏感性因素,并结合实际施工可达到的精度提出施工精度控制指标,为施工精度控制提供依据。

6)运营中索网结构安全性的评估

FAST项目重点在于针对望远镜索网主动变位的特性,基于力学仿真技术发展一套准实时辅助控制系统。该系统能够基于传感器输送的数据进行实时计算并补偿各种因素对反射面控制精度的影响,实时地对各种故障工况进行系统性评估。该系统将有助于提高望远镜反射面的控制精度及运行可靠性,为望远镜保证其应有的观测效率提供技术支持,对望远镜的调试、运行及维护有非常重要的实用价值。

FAST项目难点在于:①实时接收OPC接口传输的促动器故障响应以及抛物面各工况的下拉索伸长量,并依据这些运行状态信息进行工况实时分析并反馈;②根据不同的要求误差限额,需设置不同的迭代次数,以进行全过程分析并形成总应力矩阵,并在此基础上进行超限判断;③由于该项目采用MATLAB和ANSYS作为实现准实时评估的主要工具,如何交互进行MATLAB操作和ANSYS有限元分析是实现控制目标,并保证计算效率的又一大难点。2基准球面态和工作抛物面态的找形分析2.1引言

FAST作为天文射电望远镜,有特殊的使用功能,其主动反射面主要分为两个状态:球面基准态和主动变位工作态。反射面口径为500 m,基准态时反射面为半径为300 m的确定球面,工作态时反射面的形状随时间连续变化,即通过主动控制在观测方向形成300 m口径瞬时工作抛物面,观测时工作抛物面随着所观测天体的移动在500 m口径的反射面球冠上移动,从而实现巡天跟踪观测。照射范围内工作抛物面的口径为300 m,位于基准球面的内侧,与基准球面的最大距离约为47 cm,且工作抛物面口径边缘处与基准面重合。

在工作使用中,载控结构是在荷载(如自重、温变、风载和雪载等)作用下被动发生位形变化而达到新的平衡状态;而形控结构为满足工作时的特定位形,不仅经受荷载作用,还在调控机构的作用下主动变位至预设的目标位形并引起内力变化。FAST主动反射面支承结构受自重(包括背架结构和索网结构自重)和预应力的共同作用下主索网节点位于平衡状态时的球面,即本章所要研究找形的基准球面。而本章所要研究的主动工作抛物面变位,则为其他索网结构所没有的状态。FAST索网结构受由下拉索促动器施加的一种强迫位移荷载,荷载大小由结构响应控制,即保证将照射范围内主索节点调节到指定工作抛物面上,这种强迫位移荷载也可以称为变位荷载,由于照射方向的任意性,这种变位荷载工况数也为无数种,并且这种变位荷载为FAST主动反射面整体支承结构分析的主要荷载。由此可见,FAST索网为形控结构。找形分析是基于非线性有限元法,迭代调整下拉索的无应力长度,从而使放射面索网达到目标位形。2.2FAST主动反射面索网结构的基准球面找形研究2.2.1 FAST主动反射面索网结构模型分析[8]

根据前期国家天文台以及其合作单位的研究,已经确定了采用整体索网结构作为FAST主动反射面整体支承结构,按照短程线二的网格方式(图1-18)编织成球面主索网,主索网具有五边对称的特性,每个主索网节点连接一根径向控制下拉索,下拉索下端与地面促动器相连以控制整个索网变位。

FAST主动反射面整体支承结构模型(图2-5)包括三个部分:(1)主索网(图2-1),主索网上所有节点位于一半径300 m、跨度500 m的球冠面上,即基准球面。图2-1 主索网示意图(2)下拉索(图2-2),下拉索一端与主索网节点相连,另一端连接地面促动器,通过促动器的控制牵引下拉索,进而使得主索网节点产生位移,即FAST主动变位,索网示意图见图2-3所示。图2-2 下拉索示意图图2-3 索网示意图(3)周圈支承结构(图2-4),它与主索网连接,形成一个环箍固定主索网。为了实现FAST主动反射面整体支承结构的索网疲劳分析,必须要进行这部分的设计,将在第3章中介绍。图2-4 周圈钢构示意图

采用通用大型有限元分析软件ANSYS V12.0,并基于该软件二次开发平台,编制基准球面找形、主动变位、钢构和拉索承载力验算、疲劳统计分析等程序模块(图2-6)。图2-5 FAST主动反射面整体支承结构示意图图2-6 程序模块示意图

模型参数如下:(1)钢构采用BEAM188梁单元类型,拉索采用Link10只受拉、不受压的索单元类型。(2)分析中,采用全牛顿-拉斐逊迭代求解,考虑大变形和应力刚化效应。(3)拉索和钢构的材料性质见表2-1所示。表2-1 FAST主动反射面整体支承结构材料力学性质

FAST主动反射面支承结构模型中并没有包括反射面的背架结构(背架结构不参与索网结构的作用),而是将其荷载以主索网节点集中荷载的形式等效到模型上。根据国家天文台的初期研究,得到背架结构的荷载值,将其等效成主索网节点荷载。背架总质量为1992400 kg,以竖向集中荷载的形式作用在主索网节点上,图2-7为背架单元重量和面积的拟合图。分析模型的节点荷载总和为19722 kN,误差为-1%。图2-7 FAST主动反射面单元重量拟合图2.2.2 基于FAST特点的基准球面找形方法研究

由于FAST主动反射面支承结构所特有的功能、特点以及高精度的要求,一般的找形方法将难以适用。球面基准态包含了力和形两部分内容:力指拉力、钢构内力和支座反力等;形指主要结构尺寸(如跨度、矢高等)以及部分构件的空间姿态等。基准态下的力和形是相关的,力是在相应的形上达到平衡。其基准球面找形分析实质上是寻求合适的索网初始预应力分布,使索网在预应力、索网自重和上部背架结构自重共同作用下,其主索节点均在基准球面上。

根据研究可以采用两种方法对FAST主动反射面支承结构的索网进行基准球面找形研究:零状态找形分析方法和主动球面变位找形方法。

1)零状态找形分析方法

零状态找形分析方法(图2-8),以索网结构平衡态下的基准球面形态为初始形态,假定给出索网结构的初始计算预应力态,在此预应力态下结构将产生变形,得出各个主索网节点坐标值与基准球面形态下的差值,通过逆迭代来修改主索网节点坐标再次计算,如此不断迭代,最终实现平衡态下主索网各节点位于基准球面节点上,此时索网结构的预应力态即为所求的基准球面预应力态,因此,零状态找形分析方法也称为逆迭代法。零状态找形分析方法适用于具有较强几何非线性的结构。图2-8 零状态找形分析方法示意图

其计算步骤如下:p(1)已知目标基准球面下结构各节点的空间三维坐标向量X,给定拉索一组初始计算预应力。p(2)按照目标初始态下主索网各节点的坐标(X)建立有限元1p模型,并令X=X。

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