整体索网结构作为大射电望远镜反射面支承结构的可行性分析

整体索网结构作为大射电望远镜反射面支承结构的可行性分析

中国考古学家提出，计划使用贵州kart地形建造500m口径的大型透射望远镜（五种类型的耳膜），半径为300m。主要创新点之一是积极反射面技术：在工作中，利用计算机技术人员，反射面可以沿着观测目标的方向在300m处突然形成。距离为0.46565r（如图1所示）。此外，图1中所示的抛物面位于望远镜中央。事实上，根据观测方向的不同，300m直径的抛物面可以位于500m直径的球形望远镜中的任何地方，并随观察对象的运动而移动。FAST反射面支承结构是整个FAST项目的重要部分,本文采用整体索网作为反射面的支承结构(如图2),球面主索网每个节点设有一径向拉索,拉索下端与促动器连接,以控制整个索网的变位,索网上再配上相应子结构以安装反射面板.整体索网结构的主要优点为:结构形式相对简单,零部件少,从而缩短建造周期;降低对洼地形态的要求,并节省下部土木工程的造价.文献通过对四边形、凯威特型和短程线型3种主索网格划分方案的分析对比,发现短程线方案(图3)为一种相对较优的方案,具有网格划分均匀、子结构形式灵活和种类少等优点.本文对短程线型索网结构进行了详细的分析,软件为通用有限元分析软件ANSYS,索采用Link10单元.1初始模型材料索网的分析包括3个部分:1)初始预应力状态分析,2)工作状态的动态模拟,3)索网的受荷分析.在这里主要介绍初始预应力状态分析和工作状态的动态模拟方法.1.1维结构分析过程初始预应力状态分析的目标是使索网在预应力、索网自重和上部子结构自重共同作用下,其节点均在特定球面(基准面)上,即初始预应力状态.在此基础上,采用逆迭代法确定索网的零状态,以求得索段下料长度.下面以一个简单的二维结构(图4)为例,来说明其分析过程.目标是使结构在预应力作用下处于平衡状态时节点m位于图中虚线位置(以下称为目标位置).首先给定图4(a)中各索一组预应力,一般情况结构在给定预应力、索段自重及上部子结构自重m的作用下,处于不平衡状态,平衡状态时节点m偏离平衡位置d1距离(图4b);下一步将偏离位移d1反向加与初始状态(即改变索的初始计算长度),得到图4(c),同样给定预应力和结构自重经过重新计算结构再次处于平衡状态时节点m偏离目标位置距离为d2,但d2<d1,重复上述方法,由于di越来越小,结构最终能够在满足精度的范围内到达目标状态.1.2拉索前端节点的强迫位移这一部分分析的目标是使球面上特定部位内索网节点变位到指定抛物面上.这一目标可通过逐步调整拉索下端的径向位移,进行迭代来实现.下面以图5来说明索网的动态模拟过程.第一步:计算馈源照射方向300m口径内球面索网各节点到抛物面的距离.以图5(a)中所示节点A1为例进行说明,A1为球面上工作范围内的某一节点,节点下设有一根径向拉索,过点A1和球心0连直线,与工作抛物面相交与A2点,点A1、A2之间的距离为d1.第二步:给300m口径范围内的所有下拉索的下端施加强迫位移,并进行整体结构计算.例如,对于所讨论的节点A1施加A1A2方向的位移d1,以此类推.由于索网体系的整体作用,当结构处于平衡状态时,如图5(b)所示,节点A1并没有移到A2位置,而是移动到A3位置,但是相对于A1点,A3点更加接近于抛物面.第三步:重复第一、二步,过点A3和球心0连直线,与工作抛物面相交与A4点,点A3、A4之间的距离为d2,此时给下部径向拉索施加沿A3A4方向的节点位移d2,则此节点一定再次向靠近抛物面的方向移动.如此重复,一般只需移动拉索下端节点2到3次即可把反射面工作范围内节点调节到指定抛物面上,精度能够达到0.1mm.拉索下端节点的每一步的位移之和即为促动器需要调节的位移.2径向拉索长度采用图3所示网格划分方案,球面口径为500m,半径R为300m,三角形网格的边长约为11～12m.下部径向拉索共2289根,拉索直径12mm,按估算子结构自重取5.4kg/m2,面板重取2.0kg/m2.实际状况下,由于地形的关系,各径向拉索的长度是变化的.本文对拉索为等长(10m)和不等长(2～50m)的索网结构均进行了分析,结果表明二者均是可行的,下文只对拉索为等长的情况进行介绍.2.1换索时主索受力分析整体索网的计算是一个不断试算、分析、对比的过程.对索网进行初始预应力态分析时,先假定主索直径取28mm,主、拉索预应力分别取500、100MPa.计算结果如表1中第一行数据所示,可以看到主索的受力不是很均匀的.FAST实际工作时需要使球面上特定部位内索网节点变位到指定抛物面上,在此过程中主索的应力要发生较大变化,为了避免局部主索的松弛或应力超过设计值,必须保证在初始预应力状态时,主索应力相对均匀,且在合理范围之内.采用部分替换主索截面的办法来保证主索应力相对均匀,在上述初始预应力状态上,保持主索拉力不变,改变主索的截面大小,使主索的应力保持在合理的范围之内,此时索网节点仍然处于特定球面上,主索直径范围变为20～36mm,而绝大部分索的直径为28、30mm,表1第二行给出了换索后的结果.2.2工作状态分析上述优化后索网结构的预应力分布是否能满足要求,需要通过工作状态的模拟来确认,根据照射方向(α,β)的不同选择了6种代表性的工作状态(图6)进行分析(分别把6个区域的球面调到抛物面上).图6中大圆表示500m口径的整个反射面,小圆表示在工作时照射方向上300m口径的工作面的位置,α、β分别表示照射方向与X、Z轴的夹角.结果表明,均能实现从球面到抛物面的变位,精度达到0.1mm.主、拉索的应力范围分别为122～601MPa、152～535MPa,未有松弛现象,且应力值满足设计要求.2.3风荷载作用下风荷载作用下风荷载归属本节主要分析了风荷载和温度荷载对索网结构的作用.1)风荷载,工作风速为4m/s,极限风速为20m/s,由于结构的体形系数涉及许多不确定因素,需要作进一步相关研究.在此仅简单把风荷载分成向下和向上两种,体型系数取1.0,以求得到定性的认识;2)温度作用,温差为±30℃,对初始预应力态在温度作用下的性能进行分析,并对前文所提6种工作状态在温度荷载作用下进行模拟.表2给出了索网应力幅值和最大位移,温度荷载对结构的影响相对较大,但在风荷载及温度荷载作用下,结构的变形很小,索网的应力均在允许的范围之内,能够满足FAST的功能要求及结构