FAST主动反射面索网结构设计与施工技术研究

1绪论1

1.1背景1

1.2FAST项目的功能和重要性2

1.2.1国际领先的射电望远镜技术2

1.2.2FAST项目的系统构成3

1.2.3FAST项目的重要意义5

1.3FAST主动反射面系统5

1.3.1索网支承结构5

1.3.2反射面单元6

1.3.3促动器6

1.3.4防噪墙和挡风墙6

1.3.5健康监测系统6

1.4FAST反射面支承结构的研究现状7

1.4.1主动反射面支承结构的形式选择7

1.4.2下拉索方案8

1.4.3面索网的网格形式9

1.4.4温度场10

1.5工程的重点和难点10

2基准球面态和工作抛物面态的找形分析13

2.1引言13

2.2FAST主动反射面索网结构的基准球面找形研究13

2.2.1FAST主动反射面索网结构模型分析13

2.2.2基于FAST特点的基准球面找形方法研究15

2.3FAST主动反射面索网结构的主动工作抛物面变位研究19

2.3.1主动工作抛物面变位介绍19

2.3.2工作抛物面选取20

2.3.3主动工作抛物面变位的程序模块编制21

2.3.4主动工作抛物面变位的算例22

2.4小结23

3反射面索网结构疲劳分析和拉索疲劳试验研究24

3.1疲劳分析24

3.1.1基于FAST特点的疲劳统计方法研究24

3.1.2FAST索网拉索的疲劳次数统计26

3.1.3FAST索网疲劳统计的数据分析29

3.2新型钢索设计及超高应力幅疲劳试验研究34

3.2.1超高应力幅耐疲劳钢索的总体试验研究方案35

3.2.2基材钢丝的疲劳试验研究36

3.2.3现有钢绞线的疲劳试验研究38

3.2.4前期新型钢索的设计及组装件试验研究40

3.2.5后期单根钢绞线疲劳实验研究及钢索的设计46

3.3小结48

4FAST反射面索网支承结构性能优化与分析50

4.1基于初始基准态的正高斯曲率索网形控结构设计方法50

4.1.1技术方案50

4.1.2具体实施方式52

4.1.3有益效果54

4.2FAST标准球面基准态索网优化分析55

4.2.1FAST拉索和连接节点的类型、规格和参数55

4.2.2FAST索网优化分析模型及参数57

4.2.3FAST工作和荷载条件58

4.2.4索网优化方法59

4.2.5优化原则和参数5

4.2.6FAST标准球面基准态索网优化分析60

4.2.7设计温变±25℃条件下抛物面工作态的索网验算62

4.2.8若干因素对索网的优化和性能的影响64

4.3滑动钢圈桁架优化设计71

4.3.1钢圈桁架优化设计条件和原则71

4.3.2标准球面基准态的滑动钢圈桁架优化设计71

4.3.3面索网工作应力幅75

4.4模态分析77

4.4.1分析方法77

4.4.2分析结果77

4.5风振分析79

4.5.1结构风振动力分析方法79

4.5.2分析参数79

4.5.3平均风静力分析80

4.5.4风振响应统计81

4.5.5设计极限风速84

4.6断索分析86

4.6.1断索分析方法和分析工况86

4.6.2断索分析结果87

4.6.3断索分析结论92

4.7钢桁架柱和钢圈桁架的节点设计92

4.7.1节点概况92

4.7.2钢桁架柱的节点93

4.7.3钢圈桁架的节点设计95

4.8索网连接节点95

4.8.1连接节点构造95

4.8.2连接节点承载力分析98

4.9小结101

5FAST反射面索网结构施工技术103

5.1周圈钢构的施工方法103

5.1.1工程概况103

5.1.2施工重点和难点分析105

5.1.3周圈钢结构总体施工方法105

5.2索网的施工技术107

5.2.1索网施工特点107

5.2.2索网总体施工方案108

5.3索网施工理论与分析117

5.3.1理论分析概述117

5.3.2施工过程分析基本理论与方法118

5.3.3串联拉索沿导索空中累积滑移安装过程分析124

5.4FAST反射面索网施工过程分析131

5.4.1对称轴处沿导索牵引安装区索网施工过程分析131

5.4.2支承塔架安装区塔架设计与施工过程分析156

5.5FAST索网支承结构误差敏感性分析163

5.5.1误差类型163

5.5.2误差分布模型164

5.5.3多个随机误差的分析方法164

5.5.4误差效应分析方法167

5.5.5误差效应分析条件167

5.5.6独立误差效应分析168

5.5.7耦合误差效应分析（误差条件11、12和13的对比分析）181

5.5.8本节小结184

5.6小结185

6基于力学仿真技术的FAST反射面索网准实时评估系统187

6.1准实时评估系统的意义187

6.2准实时评估系统的功能189

6.3准实时评估系统的模块构成190

6.3.1模型处理模块191

6.3.2预运行分析模块192

6.3.3准实时跟踪分析模块193

6.3.4力学仿真系统介绍193

6.4图形用户界面介绍195

7结束语198

参考文献200 2100433B

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。

作者对索网支承结构展开了系列的工程理论和应用研究，主要内容为：①研究了30年天文观测时间内的面索应力循环疲劳次数，并以500 MPa应力幅下进行新型耐超高应力幅钢索的设计和试验研究；②基于索网为形控结构，提出了标准球面基准态优化分析方法，优化了拉索和周圈钢构的规格和预应力，并分析了若干关键因素对结构性能的影响，进行了模态分析、风振分析、断索分析、节点分析等；③提出了格构柱、周圈环桁架和索网的施工方法，分别为：悬臂抱杆高空拼装、分节段滑移安装和高空溜索滑移安装，并研究了溜索滑移施工分析和多误差影响分析的方法，确定了施工参数和控制指标；④基于ANSYS和MATLAB软件，建立了准实时CAE辅助控制平台，在望远镜调试、运行和维护时评估索网安全性。

1 绪论

1.1 背景

1.2 FAST项目的功能和重要性

1.2.1 国际领先的射电望远镜技术

1.2.2 FAST项目的系统构成

1.2.3 FAST项目的重要意义

1.3 FAST主动反射面系统

1.3.1 索网支承结构

1.3.2 反射面单元

1.3.3 促动器

1.3.4 防噪墙和挡风墙

1.3.5 健康监测系统

1.4 FAST反射面支承结构的研究现状

1.4.1 主动反射面支承结构的形式选择

1.4.2 下拉索方案

1.4.3 面索网的网格形式

1.4.4 温度场

1.5 工程的重点和难点

2 基准球面态和工作抛物面态的找形分析

2.1 引言

2.2 FAST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

2.2.2 基于FAST特点的基准球面找形方法研究

2.3 FAST主动反射面索网结构的主动工作抛物面变位研究

2.3.1 主动工作抛物面变位介绍

2.3.2 工作抛物面选取

2.3.3 主动工作抛物面变位的程序模块编制

2.3.4 主动工作抛物面变位的算例

2.4 小结

3 反射面索网结构疲劳分析和拉索疲劳试验研究

3.1 疲劳分析

3.1.1 基于FAST特点的疲劳统计方法研究

3.1.2 FAST索网拉索的疲劳次数统计

3.1.3 FAST索网疲劳统计的数据分析

3.2 新型钢索设计及超高应力幅疲劳试验研究

3.2.1 超高应力幅耐疲劳钢索的总体试验研究方案

3.2.2 基材钢丝的疲劳试验研究

3.2.3 现有钢绞线的疲劳试验研究

3.2.4 前期新型钢索的设计及组装件试验研究

3.2.5 后期单根钢绞线疲劳实验研究及钢索的设计

3.3 小结

4 FAST反射面索网支承结构性能优化与分析

4.1 基于初始基准态的正高斯曲率索网形控结构设计方法

4.1.1 技术方案

4.1.2 具体实施方式

4.1.3 有益效果

4.2 FAST标准球面基准态索网优化分析

4.2.1 FAST拉索和连接节点的类型、规格和参数

4.2.2 FAST索网优化分析模型及参数

4.2.3 FAST工作和荷载条件

4.2.4 索网优化方法

4.2.5 优化原则和参数

4.2.6 FAST标准球面基准态索网优化分析

4.2.7 设计温变±25℃条件下抛物面工作态的索网验算

4.2.8 若干因素对索网的优化和性能的影响

4.3 滑动钢圈桁架优化设计

4.3.1 钢圈桁架优化设计条件和原则

4.3.2 标准球面基准态的滑动钢圈桁架优化设计

4.3.3 面索网工作应力幅

4.4 模态分析

4.4.1 分析方法

4.4.2 分析结果

4.5 风振分析

4.5.1 结构风振动力分析方法

4.5.2 分析参数

4.5.3 平均风静力分析

4.5.4 风振响应统计

4.5.5 设计极限风速

4.6 断索分析

4.6.1 断索分析方法和分析工况

4.6.2 断索分析结果

4.6.3 断索分析结论

4.7 钢桁架柱和钢圈桁架的节点设计

4.7.1 节点概况

4.7.2 钢桁架柱的节点

4.7.3 钢圈桁架的节点设计

4.8 索网连接节点

4.8.1 连接节点构造

4.8.2 连接节点承载力分析

4.9 小结

5 FAST反射面索网结构施工技术

5.1 周圈钢构的施工方法

5.1.1 工程概况

5.1.2 施工重点和难点分析

5.1.3 周圈钢结构总体施工方法

5.2 索网的施工技术

5.2.1 索网施工特点

5.2.2 索网总体施工方案

5.3 索网施工理论与分析

5.3.1 理论分析概述

5.3.2 施工过程分析基本理论与方法

5.3.3 串联拉索沿导索空中累积滑移安装过程分析

5.4 FAST反射面索网施工过程分析

5.4.1 对称轴处沿导索牵引安装区索网施工过程分析

5.4.2 支承塔架安装区塔架设计与施工过程分析

5.5 FAST索网支承结构误差敏感性分析

5.5.1 误差类型

5.5.2 误差分布模型

5.5.3 多个随机误差的分析方法

5.5.4 误差效应分析方法

5.5.5 误差效应分析条件

5.5.6 独立误差效应分析

5.5.7 耦合误差效应分析(误差条件11、12和13的对比分析)

5.5.8 本节小结

5.6 小结

6 基于力学仿真技术的FAST反射面索网准实时评估系统

6.1 准实时评估系统的意义

6.2 准实时评估系统的功能

6.3 准实时评估系统的模块构成

6.3.1 模型处理模块

6.3.2 预运行分析模块

6.3.3 准实时跟踪分析模块

6.3.4 力学仿真系统介绍

6.4 图形用户界面介绍

7 结束语

参考文献2100433B

《FAST主动反射面索网结构设计与施工研究》作者罗斌、郭正兴、姜鹏对索网支承结构展开了系列的工程理论和应用研究，主要内容为：①研究了30年天文观测时间内的面索应力循环疲劳次数，并以500MPa应力幅下进行新型耐超高应力幅钢索的设计和试验研究；②基于索网为形控结构，提出了标准球面基准态优化分析方法，优化了拉索和周圈钢构的规格和预应力，并分析了若干关键因素对结构性能的影响，进行了模态分析、风振分析、断索分析、节点分析等；③提出了格构柱、周圈环桁架和索网的施工方法，分别为：悬臂抱杆高空拼装、分节段滑移安装和高空溜索滑移安装，并研究了溜索滑移施工分析和多误差影响分析的方法，确定了施工参数和控制指标；④基于ANSYS和MATLAB软件，建立了准实时CAE辅助控制平台，在望远镜调试、运行和维护时评估索网安全性。

针对大型移动通信卫星和对地观测卫星对大口径、高精度星载天线的迫切需求，本项目以索网式天线结构为主要研究对象，开展了天线反射面变形主动控制方法研究。主要研究内容包括：结合参变量变分理论与几何非线性有限元方法建立了索网天线结构非线性有限元模型，并基于该模型进行了结构力学分析；建立含有压电作动器的大型索网式天线结构的机电耦合动力学模型，给出一种适用于大规模结构主动控制的新型快速模型预测控制方法，并利用该方法求解天线反射面变形主动控制问题；建立面向大型天线结构分布式控制的有限元模型，考虑各子模块之间的测量信息交互，提出了分布式振动控制策略并分析了系统的稳定性；完成系统方案设计并搭建了星载天线反射面变形主动控制演示实验系统，验证了提高天线反射面型面精度主动控制方法的有效性。研究结果表明，所提出的基于参变量变分原理的几何非线性有限元方法比传统算法具有更稳定的收敛性和更高求解精度；快速模型预测控制方法可以高效求解大型索网式天线结构的反射面变形主动控制问题，通过主动控制可明显提高反射面的型面精度；采用可扩展的分布式控制器，大型空间天线结构的振动能够得到有效抑制，且控制系统的容错性能良好；通过实验更进一步验证了主动控制在提高天线反射面精度方面的有效性。以上研究工作为研发新一代大口径、高精度星载天线提供了理论基础和技术支撑，在进一步提高和保持天线反射面精度方面有广泛的应用前景。 2100433B