FAST反射面支承结构的索网和钢索疲劳性能研究

摘要

反射面的面积是衡量射电望远镜性能的重要指标之一，只有拥有更大的接收面积才能够观测到更远、更多的天体。我国天文学家1994年提出了在贵州喀斯特洼地中建造世界最大的500m口径球面射电望远镜FAST(Five-hundred-meterApertureSphericalTelescope)的建议和工程方案，其计划列为国家重大科学工程，于2008年12月正式启动。其中，主动反射面(Activereflector)作为FAST三大自主创新之一，是一个500m直径的巨型大跨度空间结构。通过促动器拖动下拉索来控制主索节点的位置，实现望远镜主动变位，其实质是一种特殊、长期、高应力幅的往复疲劳荷载。在30年的运行期间内，预计总共有至少数十万次的观测，主索网的疲劳应力幅为470MPa。综合考虑到FAST长时巡天观测和随机独立观测的不确定性，以及国家重大科学工程的重要性，国家天文台FAST主动反射面项目组提出，在满足30年使用条件下，构成索网的拉索满足超高应力幅500MPa、通过200万次疲劳试验的苛刻技术条件。基于以上思想，本文结合FAST的功能要求和特点，对FAST主动反射面整体支承结构的索网进行了完整系统的疲劳统计分析，并且完成了新型钢索的设计及疲劳试验研究。
　　首先，研究FAST索网结构的找形方法，进行基准球面找形分析，采用有限元分析软件ANSYS，并基于该软件二次开发平台APDL语言进行找形及主动变位程序模块的编制。
　　建立与实际地面标高相符的FAST主动反射面索网和周圈钢构的整体一体化结构模型。进行完整的主动变位疲劳分析，统计FAST索网结构在30年使用期内，各个主索单元在300～350MPa、350～400MPa、400～425MPa、425～450MPa、450～475MPa、475～500MPa等不同应力幅范围内的疲劳次数，分析钢索的疲劳性能。同时校核整体结构在关键工况下的安全性能，保证其能满足FAST的使用精度要求。
　　在疲劳统计的基础上，进行新型钢索的设计以满足其疲劳性能。优选国内钢绞线进行应力幅为500MPa的疲劳试验，分析其可行性。通过钢绞线的试验研究重新审视和探索可行钢索的研究方向，并结合桥梁工程已采用具有一定应力幅的各种拉索疲劳试验和实际工程应用状况，从基材入手，进行钢丝的疲劳试验研究，寻求耐超高应力幅疲劳的高强钢丝。待高强钢丝抗疲劳性能稳定后，研究新型钢索型式和索头型式，完成新型钢索的设计。最后通过成品索的疲劳试验和构造、工艺的完善，实现耐超高应力幅疲劳的拉索，能够应用在FAST主动反射面整体支承结构中。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 射电望远镜的国内外应用和研究现状

1．3 本文的研究背景工程

1．4 FAST主动反射面的现阶段研究进展

1．4．1 研究进展

1．4．2 面临的问题

1．5 本文的研究内容和意义

第二章 FAST主动反射面的索网基准球面找形及主动工作抛物面变位研究

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特点的基准球面找型方法研究

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 本章小结

第三章 FAST主动反射面整体支承结构周圈钢构设计和分析

3．1 引言

3．2 FAST主动反射面整体支承结构周圈钢构设计

3．2．1 周圈支承钢构设计参数

3．2．2 周圈支承钢构承载力驶变形验算

3．2．3 主索网拉索承载力及下拉索索力验算

3．3 FAST主动反射面整体支承结构的自振模态分析

3．4 FAST主动反射面整体支承结构的线性屈曲分析

3．5 本章小结

第四章 FAST主动反射面整体支承结构的索网疲劳分析

4．1 引言

4．2 基于FAST特点的疲劳统计方法研究

4．2．1 疲劳统计方法介绍

4．2．2 疲劳统计方法实例统计对比

4．3 FAST索网拉索的疲劳次数统计

4．3．1 工作抛物面中心点轨迹线生成

4．3．2 变形区域内特征点的主动变位计算

4．3．3 疲劳统计程序模块的编制

4．4 FAST索网疲劳统计的数据分析

4．5 本章小结

第五章 基于FAST疲劳性能要求的新型钢索设计及超高应力幅疲劳试验研究

5．1 试验研究背景

5．2 超高应力幅耐疲劳钢索的总体试验研究方案

5．3 超高应力幅耐疲劳钢索的试验研究

5．3．1 现有钢绞线的疲劳试验研究

5．3．2 基材钢丝的疲劳试验研究

5．3．3 新型钢索的设计及组装件试验研究

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

个人简介