500米口径射电望远镜FAST结构安全及精度控制关键问题研究

摘要

FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）是500米口径球冠状射电望远镜，是世界上正在计划及建造中最大的单体射电望远镜，开创了建造巨型射电望远镜的新模式。反射面结构是 FAST最主要部分，其本质上是一个轻型的跨度超大、形式复杂、形状实时可调的高精度索网结构。历经13年的预研究，在结构方案、形态优化、变位策略等方面取得了丰硕成果。然而在前期研究中未曾深入研究的，但是对 FAST将来的建造、运行以及维护有着重要影响的结构安全与精度控制关键问题，仍亟待研究和解决。这些问题的研究不仅在 FAST项目建设中有着迫切的需求，而且在类似巨型射电望远镜结构中也几乎处于空白阶段，没有参考依据，因而有着广泛应用前景，具有明确的工程应用价值和理论创新意义。本文进行了如下几方面的工作：
　　1、FAST日照非均匀温度场模拟及效应分析
　　综合考虑了太阳辐射作用、阴影遮挡、空气对流换热等多种影响因素，建立了FAST真实环境下的结构温度场数值模型，其中，提出了复杂地形下FAST反射面结构日照阴影分析方法；采用时程分析方法，计算了 FAST反射面结构日照非均匀温度场，在此基础上，分析了日照温度场对不同位置抛物面的面形拟合均方根 RMS（Root Mean Square）的影响规律。结果表明该影响不容忽视，依据结构特性和结构日照温度场特性，提出了日照作用下反射面面形精度RMS值的有效调控方法。
　　2、FAST结构参数敏感性分析
　　总结分析了目前各种参数敏感性分析方法的优缺点，针对 FAST反射面结构特点，提出基于随机抽样和相关性的参数敏感性分析方法，其中，引入了拉丁超立方抽样方法和线性相关系数显著性检验方法，解决了敏感性分析时由于大规模结构参数的随机抽样和矩阵运算而导致的计算困难问题；依据实际情况建立了各结构参数的概率统计模型，应用本文方法进行了大量计算，得出了各结构参数随机误差对反射面面形精度 RMS值的影响规律。依据敏感性分析结果，提出了结构参数精度控制建议。
　　3、FAST结构变位疲劳性能研究
　　针对 FAST长时巡天跟踪观测和随机独立跟踪观测的工作方式，对结构变位疲劳寿命需求进行了分析，提出了长期变位疲劳应力的计算方法，并基于MATLAB和ANSYS软件编制了相应程序，提出了疲劳全寿命应力历程的等效简化方法，编制了随机、变幅应力历程的实时雨流计数程序，基于S-N试验曲线和Miner线性累积损伤准则，对结构变位疲劳寿命进行了数值计算，获得了疲劳寿命统计分布和疲劳危险区域。研究表明：考虑安全系数2.0后，FAST结构变位疲劳寿命仍满足要求。最后进行了钢绞线和钢拉杆的疲劳试验。
　　4、FAST结构故障诊断与安全评定
　　依据 FAST反射面结构特性及其主动变位工作方式，提出结构失效故障的三种基本模式，并针对性地提出了结构故障诊断方法，实现了结构故障位置的在线诊断和失效单元的离线诊断，针对反映结构安全状态的两个主要指标——结构剩余疲劳寿命与结构静力安全储备，提出了结构安全评定方法；基于MATLAB和ANSYS软件编制相应程序，进行了数值模拟分析，验证了本文所提方法的有效性。
　　5、FAST结构健康监测系统的开发与集成
　　针对 FAST反射面结构特点，提出了系统构成、功能和监测内容；对各类传感器进行优化选型和测点优化布置，对数据采集硬件合理选型并提出了传输布线方案；综合利用LabVIEW、MATLAB、ANSYS、Delphi等软件平台，编制结构变位分析、结构故障诊断与安全评定等的核心模块，开发设计了 FAST结构健康监测集成软件系统，实现了其自动化、可视化功能。其中，监测系统已在FAST30m模型张拉成形试验中得到应用。

目录

500米口径射电望远镜FAST结构安全及精度控制关键问题研究

STUDY OF KEY ISSUES OF THE STRUCTURAL SAFETY AND ACCURACY CONTROL OF THE FIVE-HUNDRED-METER APERTURE RADIO TELESCOPE

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪 论

1.1 射电望远镜简介及FAST项目背景

1.1.1 射电天文学及射电望远镜

1.1.2 国家重大科学工程FAST项目

1.2 FAST主动反射面结构研究进展

1.2.1 主动反射面结构方案研究

1.2.2 反射面支承结构优化与变位分析

1.2.3 反射面背架结构选型与优化

1.2.4 FAST 30m缩尺模型试验研究

1.3 课题来源及本文主要工作

1.3.1 课题来源

1.3.2 本文主要工作

第2章 FAST日照非均匀温度场模拟及效应分析

2.1 引言

2.2 FAST热环境分析

2.2.1 台址环境

2.2.2 热平衡分析

2.3 FAST日照非均匀温度场特性研究

2.3.1 瞬态温度场分析模型

2.3.2 太阳辐射热分析

2.3.3 对流热分析

2.3.4 日照阴影分析

2.3.5 FAST日照非均匀温度场特性

2.4 FAST日照非均匀温度场效应及调控分析

2.4.1 日照温度场对反射面面形精度的影响分析

2.4.2 日照作用下结构温度应力响应分析

2.4.3 日照作用下反射面面形精度调控分析

2.5 本章小结

第3章 FAST结构参数敏感性分析

3.1 引言

3.2 参数敏感性分析方法

3.2.1 单参数变化的敏感性分析方法

3.2.2 多参数变化的敏感性分析方法

3.2.3 基于随机抽样和相关性的敏感性分析方法

3.3 FAST结构参数敏感性分析

3.3.1 FAST结构参数概率统计模型

3.3.2 RMS抽样统计分析

3.3.3 参数敏感性分析

3.3.4 FAST结构参数精度控制建议

3.4 本章小结

第4章 FAST结构变位疲劳性能研究

4.1 引言

4.2 疲劳分析方法

4.2.1 钢绞线的疲劳破坏特征

4.2.2 Miner线性累积损伤方法及程序实现

4.3 结构变位疲劳寿命需求分析

4.3.1 长时巡天跟踪观测

4.3.2 随机独立跟踪观测

4.4 结构变位疲劳应力分析

4.4.1 长期变位应力计算方法及程序实现

4.4.2 全寿命应力历程的等效简化方法

4.5 结构变位疲劳性能分析

4.5.1 结构变位疲劳寿命大小

4.5.2 疲劳危险区域

4.6 钢绞线与钢拉杆的疲劳试验

4.6.1 试验目的及内容

4.6.2 试验加载装置设计

4.6.3 试验结果分析

4.7 本章小结

第5章 FAST结构故障诊断与安全评定

5.1 引言

5.2 FAST结构故障诊断方法研究

5.2.1 结构故障模式分析

5.2.2 基于应力监测数据的故障诊断方法

5.2.3 基于坐标监测数据的故障诊断方法

5.3 结构故障诊断数值模拟分析

5.4 FAST结构安全评定方法研究

5.4.1 结构剩余疲劳寿命评定方法

5.4.2 结构静力安全储备评定方法

5.5 结构安全评定数值模拟分析

5.6 本章小结

第6章 FAST结构健康监测系统开发与集成

6.1 引言

6.2 系统总体方案分析

6.2.1 系统构成及功能

6.2.2 系统监测内容

6.3 传感与数据采集系统开发

6.3.1 传感器优化选型

6.3.2 传感器优化布置

6.3.3 数据采集软硬件系统开发

6.4 结构分析及安全评定系统开发

6.5 系统集成交互平台开发

6.5.1 数据存储与管理设计

6.5.2 系统软件集成技术

6.6 监测系统在FAST30m模型张拉成形试验中的应用

6.7 本章小结

结论

参考文献

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历