500 m口径球面射电望远镜索网结构形态和受力分析

500m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)是国家重大科技基础设施项目。口径500m、半径300.4m的球冠形索网是FAST反射面的主体支承结构。通过促动器的主动控制,索网可以在标准球面和不同抛物面之间转换,即索网为可主动变位的结构。针对FAST索网结构设计中由主动变位引起的形态分析和轻量化需求等问题开展研究,提出了目标位形应变补偿法,统一了球面基准态和抛物面态的形态分析方法,解决了多目标位形索网结构的形态分析问题;提出预应力优化方法,将球面基准态最大索力降低了29%;研究了索网球面基准态和抛物面态的受力性能,并与实测结果进行对比,索力吻合较好,50%以上钢索索力相对误差在5%以内。     

FAST主动反射面支承结构总体方案研究

针对国家重大科学工程500m口径球面射电望远镜（FAST）主动反射面的工作特点,提出了整体索网与背架结构共同支承反射面的结构方案,对四边形及多种三角形球面索网网格划分方式进行分析和比较,确定了短程线型网格为优选划分方式;以反射面拟合精度及系统控制最易为综合目标,确定了球面索网的网格尺寸及背架结构最优半径等;对单根控制下拉索和3根控制下拉索两种方案从主动反射面的变位功能、索网结构的力学性能等方面进行了详细对比,确定了采用下端设置促动器的单根控制下拉索,实现反射面基准态的成型和工作态的变位。     

FAST索网张拉过程模拟分析及误差控制

500m口径球面射电望远镜(FAST)采用柔性索网作为反射面的支承结构,柔性索网结构的张拉过程模拟分析对于张拉成形阶段具有重要的指导作用.基于非线性有限元理论,针对FAST索网的结构形式和施工方案,提出了索网张拉过程的模拟分析方法.通过计算分析得到了索网在张拉过程中的位移和内力,计算结果验证了张拉方案的可行性.根据张拉过程中索网的内力变化,确定了FAST索网的误差调整方案.调索后,索力的实测值和计算值偏差在10%以内,说明调索效果较好.     

基于初始基准态的FAST反射面索网结构性能优化分析研究

500m口径射电望远镜FAST反射面索网结构,由短程线型面索网和下拉索构成,采用高强度预应力钢绞线束索,主动变位工作是其最大特点。索网优化设计采用容许应力法,基于索网为形控结构,提出标准球面基准态优化分析方法：根据主动变位工作基本要求和主动变位引起的面索应变变化幅值一定,首先确定下拉索初张力值和面索初应力上、下限值,通过找力分析确定面索初张力后,以初应力接近上限为原则确定面索截面规格。分析若干关键因素对索网结构性能的影响,结果表明：为避免工作态出现过低下拉索力,在面索弹性模量和容许应力一定的条件下,只能通过维持面索初应力水平,增大面索截面积来提高下拉索和面索初张力;周圈钢桁架宜采用滑动支座和较低刚度,并可采取周圈钢桁架沿径向预偏安装、边缘下拉索张拉固定后不参与主动变位的措施;钢索安全系数从2.5调低至2.0,可提高容许应力和面索初应力上限、减少材料和改善内力状况。另外,通过对比碳纤维索和钢索的力学特性,高强、低弹模、轻质量、抗疲劳的碳纤维索适合FAST索网结构。     

国家天文台FAST索网施工V区锚固平台研制

国家天文台500m口径球面射电望远镜FAST(five hundred meters aperture spherical telescope)是国家"十一五"规划建设的重大科学装置之一,其索网安装跨度500m,净高约130m,合计索根数8895根。FAST索网跨度大、索量多,要求精确度高,使得索网施工非常繁琐、复杂。V区锚固平台为FAST索网施工提供一个可移动的锚固平台,是索网施工过程中必不可少的关键设备。本文针对FAST索网施工对V区锚固平台的要求,使用ANSYS有限元软件,通过先进的结构优化设计和悬索找形方法,解决了V区锚固平台结构设计过程中的多个难题;创新地解决了V区锚固平台锚固和移动的问题;最终出色地完成了V区锚固平台的研制,为FAST索网施工提供了有力保障     

长期主动变位下FAST索网支承结构疲劳寿命分析

研究分析了500m口径射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope,简称FAST）反射面索网支承结构的疲劳性能。模拟FAST主动变位工作模式（长时巡天观测和随机独立观测）,计算30年设计基准期内连续工作运行的次数需求,分析FAST索网支承结构变位工作的随机疲劳应力历程,并基于简单抽样技术,对全寿命疲劳应力历程进行简化,采用实时雨流计数法进行分解;基于S-N试验曲线和Smith等效疲劳寿命极限应力线图,采用Miner线性损伤累积准则分析各索的疲劳寿命。以所有单索疲劳寿命的最小值作为整体结构疲劳寿命,多次模拟计算,统计分析保证率为99.9%的结构疲劳寿命,并合理选取安全系数2.0考虑疲劳寿命变异性影响。分析结果表明,在设计基准期内,结构疲劳寿命满足安全要求,结构疲劳危险区域主要分布在索网中心区域。     

巨型射电望远镜(FAST)主动反射面结构故障诊断

研究分析500m口径球冠状巨型射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,简称FAST)主动反射面结构故障诊断问题。深入分析结构特点,论证FAST索网结构是一个准静力结构以及结构故障的局域性,并结合FAST望远镜工作特点,确定结构故障的基本模式。提出基于索应力监测和变位节点坐标监测的故障诊断方法:监测结构"热点应力",针对基准态和工作态,设置不同判定准则,直接诊断结构关键部位;监测索网变位节点坐标,计算其与理论值的偏差序列,针对客观存在、无法消除的有限元理论模型误差和测量误差,提出采用Walsh非参数检验方法并结合节点不平衡力的快速计算,实时检验是否存在故障以及可能的故障点区域,实现望远镜工作的安全实时预警,提出采用模式搜索算法,以故障点区域单元为诊断对象,以实际监测和理论计算的结构响应趋于一致为目标,诊断结构故障的具体类型和程度。数值模拟计算结果表明上述结构故障诊断方法适用于FAST主动反射面结构,是有效且切实可行的方法。     

国家速滑馆索网结构形态分析关键问题研究

系统梳理了2022年北京冬奥会国家速滑馆索网结构形态分析中的关键问题,包括位形优化、固定边界下的形态分析和考虑弹性边界的形态控制。位形优化部分,介绍了决定索网位形关键参数的选取策略。首先基于理论双曲抛物面方程建立索网位形的数学描述;然后证明了正交正放双曲抛物面索网每个网格的四个角点共面,该特性使屋面模块可以按照平面设计和加工,显著降低加工和安装难度,从工程实施角度提出了索网位形控制的需求。之后根据几何约束条件,提炼出决定索网位形的关键参数,并通过参数分析,综合考虑JGJ 257—2012《索结构技术规程》建议范围、环桁架受力、预应力水平、刚度与用索量等因素,分别选取承重索垂度和稳定索拱度为8.25 m和7 m,进而确定索网的目标位形。形态分析环节实现了固定边界条件下的索网形态控制。考虑边界形状、拓扑关系、预应力和屋顶重量分布等因素的共同影响,通过形态分析,使索网初始态位形相对理论抛物面最大偏差距离不超过5 mm,基本吻合双曲抛物面,同时索网水平投影为严格的正交正放网格,保证每个网格的四个角点共面。通过调节预应力水平,可以控制预应力在索包络力中所占比重和几何刚度在结构总刚度中所占比重,达到结构综合指标最优。考虑弹性边界的形态控制是索网形态分析的最终目标。首先分析了支承结构弹性变形对索网形态的影响,发现直接应用固定边界形态分析得到的索网初应变时,索网初始态位形最大偏差为502 mm,承重索和稳定索内力分别下降了11.1%和7.3%。然后通过环桁架预变形和修正索网初应变,使主受力体系初始态中的索网形态与固定边界结果一致,实现了弹性边界下的索网形态控制,同时还使环桁架和斜拉索到达预定形态。     

国家天文台FAST工程索网索力调节施工技术

国家天文台FAST工程球面索网结构由2225个节点,6670根主索以及2225根下拉索组成,该结构安装完成后需要后续对索网索力进行调节来达到该结构的设计要求。FAST工程球面索网通过150根边缘主索与圈梁连接,边缘主索采用长度可调节的拉索结构,其它主索均为长度固定的不可调拉索结构,索网节点通过2225根下拉索连接于地锚。索网几何位置由边缘索调整实现,索网节点后期的变位通过下拉索调整实现。本文将介绍FAST球面索网结构边缘主索索力调节的施工工艺。     

500m口径球面射电望远镜反射面主体支承结构设计

500m口径球面射电望远镜(FAST)是国家重大科技基础设施项目,由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端系统四大部分构成,其中主动反射面包括主体支承结构、促动器、背架结构和反射面板四部分.FAST反射面主体支承结构由格构柱、圈梁和索网组成,是迄今为止世界上最大的空间结构,具有主动变位和高精度的特点,且地处地形、地貌复杂的山区,设计、建造难度较大.本文从结构体系、索网性能、节点、参数敏感性等方面对主体支承结构设计的关键问题进行了介绍.     

FAST30m模型张拉成形健康监测研究和应用

FAST(five-hundred-meter aperture spherical telescope)是500m口径、具有主动反射面的巨型射电望远镜。作为先期验证模型,其30m缩尺模型采用整体索网结构作为反射面支承结构,为保证结构的安全性、苛刻的精度等要求,对其张拉成形过程进行健康监测。针对结构特点以及张拉方案,布设相应传感器,研究并提出了有效、实用的结构安全评定方法,在此基础上,综合运用Matlab、ANSYS、SQL2005等软件开发了结构健康监测系统,实现了可视化操作、自动安全预警、结构模型实时修正以及数据库等功能。最终该系统成功应用在FAST 30m模型索网张拉成形过程中,准确评估张拉各阶段的结构安全性,切实确保了安全施工,及时计算各阶段反射面成形精度,为精度控制提供了科学依据,为FAST原型结构健康监测和索网张拉施工积累了工程经验。     

双曲索网结构抗火极限承载力影响因素分析

对双曲抛物面索网结构利用非线性有限元方法对找形、常温下结构受载计算及其火灾反应的过程等进行详细的分析研究。利用通用有限元程序ANSYS对两种典型的索网结构进行了抗火研究,通过影响抗火性能的相关参数分析,发现影响此种形式索网抗火性能的主要因素是荷载比与预应力比的大小。该结果可供索网结构抗火设计时参考。     

超大索网结构建造创新技术研究——国家天文台FAST项目应用

国家天文台FAST索网结构是整个体系的支承和角度调整机构,在工作阶段一直处于变幅、不等应力水平的往复荷载作用,拉索的应力松弛、变形,疲劳都会对整个FAST结构产生影响,拉索索力重新分配并导致反射面形态发生变化,都会影响FAST整体稳定性。尤其在建成之后的数年时间内,其变化情况更为显著。因此,国家天文台项目对索网建造提出了非常高的技术要求。根据索网建造苛刻的技术标准,研发出500MPa超高应力幅拉索,并采用新工艺制造高精度拉索和节点盘。现场提出"1/5旋转对称、大跨度索网高空散拼"的施工工艺,成功完成索网安装工作     

某椭圆抛物面辐射式张弦梁结构的非线性屈曲及施工仿真分析

以一31.1m×24.1m跨度的椭圆抛物面辐射式张弦梁结构为分析对象,考虑几何非线性、初始几何缺陷、材料弹塑性及活载的半跨布置,对其非线性屈曲性能进行研究。采用分批分阶段的拉索张拉施工方案,通过对张拉全过程的仿真分析,得到直接指导施工的各组拉索张拉力。研究表明:初始几何缺陷按最低阶屈曲模态分布时,稳定承载力系数并非最小;荷载不对称分布对结构的稳定性更为不利;材料非线性对结构稳定性影响较大;初始几何缺陷取短轴跨度的1/500较为适宜;各组拉索的实际施工张拉力与目标索力差别较小,张拉过程中,群索之间索力的相互影响不大。     

双曲索网结构极限能力影响因素分析

以双曲抛物面索网结构为研究对象,考虑索网结构在变形、失稳破坏期间的几何及材料非线性特性,采用钢绞线本构关系及ANSYS中索单元,对双曲抛物面索网在固定边界条件下承受静力荷载作用下的极限承载力进行分析,研究了索网结构中索的初索力及索网结构几何大小对索网结构承载能力的影响.结果表明,索网结构随着预应力比的增加,索网结构的承载能力逐渐下降,在半跨荷载作用下,索的极限承载能力相对于全跨荷载工况略有提高;随着预应力增大,两种荷载布置引起的极限荷载差别减小.在工程上,常用几何大小范围内几何尺寸对极限承载能力的影响不大.本文结果可供索网结构设计及施工时参考.     

大射电望远镜反射面全球面张拉索网体系静力分析

根据大射电望远镜(FAST)主动反射面的变形及运动要求,采用球面三角形网格划分方法,提出了反射面支承结构的全球面张拉索网格系设计方案,所用网格划分形式及利用直线索模拟球面圆弧线的方法能满足FAST工作精度的要求。利用非线性有限元理论,考虑几何非线性影响进行时变索网的成形和受力分析计算,对预应力成形状态、承载力状态及正常工作状态进行详细分析计算,优化确定了较为合适的反射面预应力张拉索网体系方案。