柔索结构大型射电望远镜天线结构设计与分析（可编辑）

柔索结构大型射电望远镜天线结构设计与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 （可编辑） 柔索结构大型射电望远镜天线结构设计与分析 西安电子科技大学 硕士学位论文 柔索结构大型射电望远镜天线结构设计与分析 姓名:行卫国 申请学位级别:硕士 专业:机械电子 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 指导教师:段宝岩 20050101摘 要 为了满足射电天文观测的要求,中科院国家天文台提出建造大口径射电天文 望 远镜,以探测遥远宇宙的微弱信息,获得重大的天文发现。主要要求在满 足天线电性能的前提下,尽可能的减小天线造价。 本文的主要任务是针对以上要求,提出设计一种新型的单偏置抛物面天线, 建立了其参数化模型,并分别对不同口径的抛物面天线进行参数化、有限元 分析。 本文针对实际的结构方案,考虑天线的工作特性,建立了天线分析模型;在 给定索初应力的前提下,对天线结构进行了非线性静力分析:对天线结构的 动力 学分析是本文研究的一个主要内容。通过结构模态分析,找出了结构的内在 固有 振动特性;模拟计算了施加于结构的随机风荷,并对结构的随机风振响应作了较 深入的研究。 在分析研究中,发现了结构的抗风能力较差。依据结构低阶振型的振动特性 对结构进行了合理改进。改进后的结构的随机风振响应分析结果表明结构的抗风 能力得到明显提高。 对天线的有限元模型进行了向有限元模型的转换移植工作, 并进行了静力分析与模态分析,结果表明移植后的有限元模型是比较准确的。本 文工作为今后天线的科研工作建立了一个良好的预研基础平台。 关键词:大口径射电望远镜参数化建模天线结构有限单元法随机风振 . . 、啊 . .. . :丘 砸. . . . 印 . .. .. . . ?.: 创造性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外,论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安电子科技大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。 护,./., 日期: 本人签名:矽\乡三习 本人签名至璺璺凼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保整和使用学位论文的规定,鄄:研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后,发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全 部内容或部分内容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的 论文在解密后遵守此规定 日期: 刖‘.,., ’本人龆缉圣因 日期:移/?/ 导师鳓覆丝 第一章绪论 第一章绪论 ?.大口径射电望远镜的结构综述 射电望远镜的发展是最近多年的事情。射电望远镜其实也就是射电天线, 是一种高增益的射电讯号的收集和检测装置,特别适用于探测微弱的来自遥远天 体的射电辐射讯号。射电望远镜与光学望远镜不同,它既没有高高竖起的望远镜 镜筒,也没有物镜、目镜,它由天线和接收系统两大部分组成。巨大的天线是射 电望远镜最显著的标志,它的种类很多,有抛物面天线、球面天线、半波偶极子 天线、螺旋天线等。天线对射电望远镜来说,就是要把微弱的宇宙无线电信 号收 集起来,然后通过一根特制的管子波导把收集到的信号传送到接收机中去放 大。这就要求其具有极高的灵敏度和分辨率,因此对天线结构的设计要求也就越 来越高。 进入世纪年代,随着科学家们对宇宙起源奥秘和星外文明的不断探索, 建设大口径射电望远镜天线的需求也就越来越高,对单天线射电望远镜来说,天 线的直径越大分辨率越高。但是研制大口径、高精度的抛物面天线,面临着越来 越大的挑战,这是因为随着抛物面天线口径的增大,支撑天线主反射面所需的背架 结构变得越来越复杂,为了使天线能够工作在毫米 或更高波段,对大口径天线背架刚度提出了越来越 高的要求。所有这些,将导致天线反射体重量的增加。 天线反射体重量的增加又导致天线反射体变形的增 大。这是一对难以解决而又必须解决的矛盾。要解 决这一矛盾,必须寻求新的方法和手段。科学技术的 发展不断地解决工程实际中提出的问题,为工程设计 提供新的方法,力学分析和预调技术就是其中之一。 力学分析和预调技术的产生和应用为解决研制大口 径抛物面天线结构设计中碰到的问题提供了有效的 圈 方法。年,冯赫纳. 经过研究提出了保型设计思想,即设计 一种抛物面天线结构,使变形后的反射面仍为一抛物面。这一设计思想,为更大 口径的可动式天线的设计提供了理论基础【。图.为年德国建成一架直径 米的全可动抛物面天线,采用了通过中心框架结构来实现支撑,以减轻结构的 重量。另外其特别之处是采用了一个倒置的四棱锥,从四棱锥的项点向着背架的 支撑环成辐射状伸出一组支撑杆和背架连接如图,保证了背架受力的对称 性【。另外,美国国立四大天文台研制的米单天线望远镜柔索结构大型射电望远镜天线结构设计与分析 ,采用无遮挡偏馈,主动光学等设计。望远镜的反射面由两千多块 小反射扳拼接丽成如图.,整个系统使用了精密的自动控制技术,可以消除望远 镜转动时产生的重力影响,大幅度提高望远镜在高频波段的性能。镜面达 ×米,如此庞大的结构使其重量达到吨,总共耗资万美元,如此高 昂的造价也是任何其他国家无法承担的。 叠 图.德国射电望远镜的结构设计 图.美射电天文望远镜 因此,如何在满足天文观测精度的要求下同时使天线造价最低,这就对天线 结构设计者提出了一个更高的要求,雨在这方面堪称代表的就是印度巨型米波综合孔径射电望远镜 ,它是当今灵敏度最高的综合 口径射电望远镜】。由台可操纵的直径为米的抛物面天线组成,印度 科学家和工程设计人员在天线结构的整体设计中采用了“概念”的理论方 法,在结构设计上做了重大突破。天线反射面为网状反射面,整个反射面由。 的细钢丝编织而成,反射面网格内部为×,外部为,背架结构 一改传统的结构形式,将个抛物面框架与钢丝绳索系统的结合在一起图., 并通过绳索张力的调节来控制反射面的精度。该结构的创新大大降低了天 线的重量,增加了天线的抗风防震能力,而天线的造价成本仅相当于口径的第一章绪论 天线造价。 图 射电望远镜 可移动式单天线,由于受结构重力极限的限制,口径在几乎已经达到 了它的设计极限。要提高望远镜的分辨率,捕捉更多来自遥远宇宙的微弱信息, 除了前述的综合口径望远镜阵列天线外,还有就是建造更大口径的固定式射电望 远镜。下面谈一下本文说所涉及的大口径天文望远镜的研究背景。 ?.宇宙原初结构探测望远镜研究背景和技术指标 ?.研究背景 如何从观测上精确测定重子的再电离历史是现代宇宙学的重要研究课题。与 之 相关的问题是:黑暗时代何时结束第一代天体是何时形成的第一代天体是恒 星还是黑洞重子电离和第一代天体的形成是瞬时过程还是持续了相当一段时 间第一代天体或电离区的分布遵从宇宙物质分布吗如何得到早期宇宙的物质 功率谱人们目前能够探测到的最遥远的宇宙是微波背景辐射,但对随后发生的 宇宙物理过程都一无所知。虽然宇宙中充满了大爆炸遗留下来的大量光子,由于 他们物质成分不发生作用而无法揭示出物质的任何信息。总之,我们目前关于宇 宙黑暗时代的故事是基于微波背景的观测和今天的已知宇宙图像构造出来的。 为探测宇宙中第一代恒星或黑洞诞生和宇宙的再电离历史,获得自字宙微波背 景辐射发现以来宇宙最遥远的信息,揭示宇宙原初物质的结构和形态,获取宇宙 膨胀背景下的中性氢厘米辐射将使人类首次可以精确测绘宇宙在红移大于以 前的三维结构,此发现将确定第一代恒星或黑洞的形成时间和宇宙的再电离历史, 对宇宙学研究具有划时代的意义。由于高红移中性氢厘米线的观测将开辟人类 认识宇宙的崭新窗口并揭示出前所未有的有关黑暗时代、第一代发光天体诞生以 及早期物质分布和演化的重要信息,国际天体物理界对此早已相当重视。而探测 来自高红移中性氢的讯号必须选择相应低频的射电接收天线。同时,为了提高灵柔索结构大型射电望远镜天线结构设计与分析 敏度,必须建立足够大的射电接收面积。目前,把探测宇宙再电离时期做为重要 科学目标之一的.低频射电阵列已经在酝酿建造中。由于是一个多 用途和高性能的射电望远镜,建造经费庞大.建造周期长,且选择基线为数百公 里的电波宁静区域十分困难。为取得重要科学发现,把中国天体物理研究水平迅 速地提高到国际水准,并开辟国际合作的新前景,中科院国家天文台提出建造用 于探测宇宙高红移再电离历史作为单一科学目标的单用途射电望远镜【。 ?..技术指标 ?望远镜选址:新疆天山山脉南侧巴伦台境内的奎先地区,北纬。’, 东经’ ?总天线:面 ?基线: ?天空亮度: ?视场:平方度 ?角分辨率:’ ?频率覆盖范围:~ ?红移范围:~ ?频率分辨率: ?天线口径;,, ?反射面型式:网状反射面 ?.特大型射电望远镜的研究背景和技术指标 ?.。研究背景 为了适应空间科学技术和天文学研究发展的需要,美国于年代在波多黎格 建造了目前世界上最大的口径为米的球反射面射电天文望远镜图 .,与传统天线不同,它的反射面铺设在洼地中,基本不受重力的影响, 而接收电磁波的馈源在由悬索吊装的固定背架结构上做跟踪射电源的运动, 其巨 大的接收面积为天文界带来了许多重大的发现。不过,它仍有明显的不足之 处: 馈源的方位和俯仰运动为纯机械方式,跟踪精度不高;馈源背架结构重达吨, 自重大、造价高;反射面为球面,电磁波经球反射面反射汇聚于一根线馈源 上, 因而接收带宽窄。 上个世纪九十年代以来,越来越多的天文学家意识到需要某种真正国际合作 的新一代大射电望远镜,以迎接现代天文与天体物理在新世纪的挑战。同时, 新一代的出现,必将对现代通信、雷达技术、军事及民用等方面带来巨大的经第一章绪论 济与社会效益。为此,各国都致力于促进新一代国际合作项目的早日启动。 年国际无线电科联京都大会上,包括中国在内的国天文学家联合发起 了建造接收面积为一平方公里的“一平方公里大射电望远镜’天线阵”的倡议。 此后,中国、加拿大、荷兰、美国、印度等国积极展开了新一代天线阵的争建 。 工作阡【匿 球面射电望远镜 图 馈源支撑与控制系统光机电一体化 我国的~些学者提出了’机电光一体化的设计新方案【】.【,该方案仍采用 洼地作为反射面的铺设基础,馈源被放置在一个半球壳状馈源舱内,馈源 舱在六根悬索驱动下做跟踪射电天体的运动,采用现代数控技术和动态激光检测 技术通过协调伸缩六根悬索控制馈源舱的位置和姿态。同?望远镜相比,馈 源支撑结构的重量从吨降到约吨,造价随之大幅度降低;这种采用大跨 度柔索控制馈源扫描运动的大胆设想及其馈源支撑结构机电光一体化的设计思路 引起了国内外同行专家的广泛兴趣和关注,被评价为“变革式创新设计”,该设计 方案的三维造型如图.所示。 为了克服线馈源系统带宽窄的弱点,文献【】【】提出了主动主反射面的思想。 将反射面由余块尺度为左右的六边形铝板单元拼成,铺设在洼 地中。其反射面采用主动控制的方法,实时地改变被馈源照明的部分球反射面的 形状以拟合旋转抛物面,从而把问题转化为旋转抛物面的照明,一个简单的馈源 即可满足要求。这样,设计悬挂于空中克服球差的宽带馈源的难点变换为设计类 似主动光学镜面的主动主反射面。主动主反射面的局部三维造型如图.所示。然 而由于该主动反射面结构虽易于实现抛物面的适时调整,但其庞大的造价却成为 制约结构实现的主要瓶颈。目前一种新的索网式主动反射面结构已被提出,并正 在进行可行性的研究中,一旦该种结构形式赋予实现,将成为天线结构形式的又 一重大突破。 我国于年主办了第三届国际工作组会,与会的国际同行专家考察了 贵州省境内世界上最佳的地貌和较为洁净的电磁环境,使新一代天线柔索结构大型射电望远镜天线结构设计与分析 阵在中国建造的方案成为可能的首选方案。中国科学院于年月正式启动了 知识创新工程重大项目“大射电望远镜预研究”,总目标为完成建造天线阵 的若干关键技术做预研究,确定 总体方案并完成初步设计,该项目计划在责问省建造~个口径的实物作为 天线阵的先导模型。 图.主动主反射面 ?..技术指标 ?望远镜选址:贵州南部;海拔高度~米,北纬。,东经。 ?球反射面:益率半径.~,口径~。球冠张角~。 ?有效照明口径 ?天空覆盖:天顶角损失接收面积,最终目标为。 ?工作频率羽?:..;..,..,..,.?., ,..,...,.. ?多波束,可旋转 ?灵敏度:×,.×。,× ?跟踪精度:” ?快动寻源速度:/ 从上面介绍的几种国外大型天线我们看到,巨型天线的结构设计是一项大的 复杂的科学工程,它即包含有传统的天线结构设计理念,同时也在许多科学 的新 方法、新理论上不断创新。涌现出一些重要的具有一定创新性的新型结构设 计理 念。 第一章绪论 ?.本文的主要工作 本文主要以中科院国家天文台的射电阵列天文望远镜为研究对象,在满 足天线电性能的前提下,以最大限度的减轻天线的重量、降低天线的成本为 目标, 提出一种新型的天线结构形式,并验证其在工程应用中的可行性。同时本文 在前 人工作的基础上对天线结构模型进行了从基于有限元分析软件的模 型到分析软件模型的移植,并对移植后的两种结构有限元模型进行了对 比。具体工作内容如下: 、建立一种新型的天线结构的参数化模型。 利用语言对天线的结构设计进行参数化建模,针对不同的参数生成 不同口径的天线。 在参阅大量的中英文文献的基础上,提出天线结构新概念设计,给出一种 新型单偏置抛物面天线索桁结合的结构形式,以达到减轻重量、降低成本 的目的。 、建立有限元模型,并分析天线在自重和稳态风作用下的静力分析,验证了天 线 的设计刚度和强度。 ?利用参数化模型,运用分析软件,合理的选取结构单元,建立有 限元模型: 对天线结构进行自重载荷作用下的有限元静力分析,验证天线结构的刚度 和强度; 根据天线的台址,选取当地有气象记录以来的最大风速,从正反两个方向 对天线进行稳态风作用下的静力分析,验证天线结构的设计刚度和强度。 、对天线结构进行了模态分析。 ?针对不同的初始参数,对不同口径的天线进行了模态分析,发现了影响天 线结构固有振动特性的因素; 依据影响天线结构固有振动特性的因素,对天线结构框架进行改进,对改 进后的天线结构再次进行模态分析。 、对脉动风进行了模拟处理,并验证模拟风的正确性,为天线结构随机风振响 应 做好准备。 ?在阅读大量结构风振理论文献的前提下,对脉动风进行模拟处理,用于进 一步的有限元分析; ?根据天线的台址,选取当地有气象记录以来的最大风速,检验模拟风速的 正确性。 、对天线结构进行时域内的随机风振响应分析,根据分析计算结果,对天线结 构 进行合理改进,并对改进后的天线进行再次动态响应分析,最终确定可用于 工程柔索结构大型射电望远镜天线结构设计与分析 实现的天线结构。 利用模拟出的风速对天线结构进行时域响应下的结构风振动力分析,验证 结构的刚度与强度。 ?根据风振分析结果,对天线结构风振破坏进行分析,对结构设计加以改进, 并对改进后的结构进行重分析,对改进后结构的抗风、抗振能力进行了验 证。 、对天线有限元分析模型向有限元分析模型下的移植 结构移植的必要性 ?基于有限元分析软件的结构分析模型向分析模型的移植 与转化; ?移植后两种有限元分析模型的结果对比。 第二章天线结构有限元参数化模型的建立 第二章天线结构有限元参数化模型的建立 ?.引言 参数化建模是目前天线结构研发的一种重要手段之一,其优点在于通过不同 参数的修改生成一系列的结构模型,在分别对这些结构模型分析的基础上, 可确 定一种最优参数组合,以满足设计要求,同时也大大缩短了研发周期。 天线结构型式繁多,大小不一。天线结构作为一种结构,与一般结构具有共 同的问题,但也有特殊性??天线结构是为实现天线电性能服务的,它的设计 必 须满足电性能要求。该天线电性能的要求是:工作频率为~,增益, 天线口径或、,工作状态为与地面呈。角固定不动,结构型式为 单偏置反射丽。同时,对天线造价提出严格要求【”。目前世界上大口径 全可动天线如前一章所述,结构形式大多采用圆抛物面天线结构且耗材多, 造价 高,也无必要采用。而我国即将建设的射电望远镜,采用了悬索馈源系统的 新型结构嘲,显著地降低了天线结构的重量。受此启发,本文完全抛弃天线座结构, 提出新的天线结构形式,设计满足力学性能和造价约束的天线。 ?.单偏置抛物面天线的坐标关系与几何结构 单偏置抛物面天线是利用对称抛物面的一部分而避开馈源及其支杆的遮挡, 这样不但消除了由于遮挡造成的旁瓣电平上升,也改善了馈源的输入电压驻波比。 但偏置结构破坏了天线几何结构的对称性,造成天线线极化工作时的交叉极化上 升和圆极化工作时的波束倾斜。 图.单偏置反射面天线结构 柔寰结构大型射电望远镜天线结构设计与分析 单偏置抛物面是在母抛物面上截取的一部分称为子抛物面,它的轮廓边缘 是以为顶点的圆锥面与母抛物面的相交线,并且,经推导可知,该子抛物面的口 面为一平面。单偏鼍反射面天线的结构如图.所示,其中,.厂为抛物面焦距:巩 为抛物面偏置角:,,,为母抛物面坐标系;’,’,’为子抛物面坐标系; ,, , 为馈源坐标系。 经推导,单偏置抛物面边缘在平面的投影是一个圆,其圆心坐标和半径分 别为: 。丽万 忑而 ,:型皇里堡 单偏置抛物厩边缘在’的投影是一椭圆,椭圆中心和长短轴分别为: 扭倒吃器 % 。‘ : 旺。’ 。 。 四,眈嵩等等 扣埘眈面去面 为便于制造和如工,可引入一当地坐标系,所谓当地坐标系工。,’,。,就是 偏置抛物面边缘口面中心为坐标原点的坐标系。设口径边缘与纸面的交点为 彳和 曰,当地坐标系的原点。为点和点的中点,。轴由点指向点爿,。轴与 轴及指向相同,即指向纸面外,由 ”童×多”,可知”垂直于子抛物面所在的 平面。单偏置抛物面边缘在工”?平面的投影是一中心位于坐标原点。的椭 圆, 其长短轴分别为: 瓜面了忑西五百 眈 ? 玩 眈 ?。.天线口径的选取 当馈源无漏射且对反射面均匀照射时,面天线的增益可由:/旯进行估算, 其中,为反射面直径,为波长。于是,根据用户提出的增益要求,由上述公 式可估算天线的口径大小。第二章天线结构有限元参数化模型的建立 ?..偏置高度的选取 从避免遮挡的角度来讲,在设计偏置反射面天线时,希望偏置尽可能选取 的大些,但过大一方面使得反射面对馈源的张角。变小,导致馈源能量的漏射 增加,另一方面,实际工作中,过大还会导致天线增益的下降。一般来讲。的 选取可由偏置角巩的大小来决定,巩一般取为’或更小些。 ?..焦距厂的选取 从减小馈源漏射和便于安装的角度出发,厂应该选取的较短些,但减小厂会 增大天线辐射场的交叉极化分量,而且厂使得酯眈时,反射面上会产 生“有害区”,由于馈源在有害区的激励电流与基本区域的激励电流反向, 该反向 电流将在天线远场产生反相电磁场。设计过程中虚避免有害区的出现,故反 射厩 天线设计中一般都采用口径张角小于 的抛物面,即吼眈。。具体到本文 工作中,考虑到天线的工作频率较低,厂的选取还需照顾到馈源的远场条件, 即, 应该足够太,以便使得反射面处于馈源的远场区域。 ?、.部分天线参数设计结果 根据上述思想,表.给出了不同口径时的设计结果。 表.天线口径取不同值时的设计结果 口径 焦距 偏置高度 . . . . , . ?. 天线结构新概念设计 单偏置切割抛物面结构由于馈源偏置从而减少了遮挡面积,提高了天线的增 益。单偏置切割抛物面天线的反射面、背架需进行大量的曲线计算及坐标转 换, 因此,在设计中利用计算程序进行参数化建模。 图.单偏置抛物面天线几何模型的生成 柔索结构大型射电望远镜天线结构设汁与分析 单偏置抛物面天线是在整体抛物面母抛物面上根据电性能的要求切割出~ 子抛物面作为反射面的天线,图.中,、、图分别给出了天线子抛物面的截 取过程。按电性能的要求,反射面按图.给出的坐标系中在平面内投影是一 个圆,所以按图中的方式截取即可,丽考虑到天线结构的稳定性,在满足天线 电性能的条件下采用半圆柱与立方体相结合,以图的方式截取,这样做虽然 增 大了天线反射面一些不必要的面积,增加了一些重量,但由于用立方体代替了整 个圆柱,使得天线底部由圆柱的点接触改为立方体的线接触,即沿水平轴切得的 抛物面天线的底部整体与地面接触,这样不仅便于固定天线,将天线底部的点接 触改变为线接触,使得天线反射面与背架结构底部可整体放置于地面上,而且工 程上更利于实现,大大提高了天线整个结构的稳定性和抗风能力。其与圆柱相比 来说优点是显而易见的。因此天线反射面的形状在截取后如图所示,由图可看 出反射面形状如同铲形。反射面型式确定后。我们就可以按给出的设计参数包括 天线径、偏置高度、和抛物面焦距厂等,根据该天线的要求,分别对径为 、和天线结构进行设计分析。 ?..主反射面结构 天线的工作频段在~之间,由公式五/我们可箅出天线接收的 最短波长约为.米,通常在波长大于的场台天线反射面一般都采用网状反 。 射面【 图.反射面网 图.抛物面的径向误差 该天线反射面为网状反射面,由镀锌钢丝密织而成,图.给出了主反射面的 主视图和侧视图,主视图中的网格为反射面骨架网格,网格大小为×米。骨架 材料为钢管,直径为,壁厚为。由骨架拟合为抛物面,网格单元与抛 物面的最大误差如图.所示,对于口径为和天线,占值分别为. 和.。由此可见,的网格可以满足抛物面的拟合要求。在骨架上可编织 固定镀锌钢丝网,钢丝网孔边长口应小于半波长。而实际上,为减小漏过功率,边 长应该更小些,一般取州~五/】 由于天线的工作频率为~,第二章天线结构有限元参数化模型的建立 频率时波长是,所以边长为::/卫:. ?..背架结构 背架是射电望远镜设计中最为重要的一部分,它的主要作用就是保持反射面 精确的面型。最简单也是最典型的背架设计就是一个弯月形的双层结构。当天线 :径小时背架的设计并不复杂。只有在天线口径较大或者要求精度较高时,所使 用的桁架结构就需进行认真地优化,背架设计是天线设计的关键。 图.背架结构 图.单片背架结构尺寸 柔索结构大型射电望远镜天线结构设计与分析 图.给出了背架的整体结构形式,图.为背架侧视图及其尺寸结构。背架 上下间距为,左右间距亦为.背架底部着地部分的长度取背架高度的十分 之一】,整个背架为一空间杆、梁结合的桁架结构。 ?..拉索结构 仅用上一小节所述的背架来支撑起整个天线显然是不可能的,如果单靠背架 结构来支撑起如此大口径的天线,则庞大背架结构的重量是可想而知的,天线的 制造成本也会因过高而无法来承担。采用斜拉索不仅控制结构位移,增加结构刚 度】,同时减轻了天线重量,降低了天线的制造成本。 图。天线总体结构 因此,天线的整个结构形式就如图.所示。国中显示了口径天线的总 体结构方案,其正面用十根拉索分别从天线项部、上边缘和腹部斜拉固定。由于 采用了参数化设计,随着口径的减小,天线的总体结构形式不变,只是正面斜拉 索的根数随着口径的减小而减少。该天线正面的斜拉索,虽然对天线有一定的遮 挡,但综合考虑到天线的造价与重量,其相对于电性能的影响来说还是较小的。 ?.结构有限元单元的选取 在有限元分析之前,结构有限单元的选取是十分重要的一个环节,单元选取的 正确与否直接影响结构有限元的分析结果,错误的单元不仅仅是导致错误的 分析 结果,甚至会造成有限元计算无法收敛。 天线结构杆、梁单元的选取可以说是应用最为熟悉的一种单元,在诸多有限元 分析软件中其单元类型也是最多、最全的。在有限元分析软件中提供了一 种三维梁单元的几何简化单元??管单元【,该单元能够承受拉、压、弯曲与扭 转内应力,拥有个自由度,符合本文天线结构的受力特点。其各个参数不在具 体详述。这里主要介绍一下结构中应用斜拉索所引进的新型单元??非线性索杆第二章天线结构有限元参数化模型的建立 单元的主要特点。 ?..单元特性 索杆单元是提供的具有双线性刚度矩阵,只能受拉的维杆单元。由 于该单元具有只能受拉的属性,当单元将要受压时,其刚度将被除去。这个特性 可以用来模拟索。该单元在每个节点处具有三个自由度:在节点,,方向的位移。 图.为索杆单元的示意图。/。 \\ ./卜一 ./ 图.索秆单元不意图 通过定义两个节点的坐标和横截面积,预应力以及各向同性的材料属性来定义 索杆单元。单元的方向沿着单元的长度方向从节点到节点。单元的初始应交 以?/的形式给出,其中?为单元的长度与零应变长度的差。 采用索杆单元进行分析的过程中将遵循以下限定和假设: 、单元的长度必须大于,因此节点,必须不重合; 、横截面积必须大于: ?..几何非线性 对于悬索结构,其位移与应变的关系将是一非线性关系,对于杆单元,其关 系式可表示为: 四 【一哪 占,十? 铲罢十丢芒‘ ? ‘\/ 这就是所谓的几何非线性】。其在结构中的外在表现主要有两种形式,那就是应力 刚化和大变形。对悬索进行非线性静力计算是一个复杂的数学过程,对本文天线 来说,要求悬索有足够的强度和拉力来稳定天线,而没有太多复杂的控制要求, 因此我们可以抛弃这一复杂数学计算,采取简便方法,直接利用经验值分别 给出 悬索的初应变。从中挑取最佳的应变组合,实践证明这种方法是可行的。这里需 要指出的是:该悬索单元是非线性的,需要迭代求解。求解过程中:单元在第一 子步的初始状态由初始应变决定。如果索处于松弛状态,从本文天线结构看出, 这将是不允许的,从分析结果来看这也将导致迭代求解不收敛而无法进行下去,柔索结构大型射电望远镜天线结构设计与分析 所以悬索初应变的选择是本文天线有限元计算十分关键的一步,即要求悬索从计 算开始就要有足够的刚度,保持绷紧状态。 小结 大型天线结构结构型式的选取是结构设计者首要考虑的关键性的~步,也是结 构设计最终能否取得成功的基本因素。本章主要在满足天线电性能的基础上,建 立起天线结构的参数化模型,为尽量减小造价成本,作者在阅读了大量文献资料 的基础上,提出一种新型的单偏置抛物面天线结构,大胆提出索桁结合的结构型 式,其突出的特点就是斜拉索的引进减轻了结构的重量降低了天线的造价。 在结 构有限单元的选取上作者着重对非线性索杆单元的特点做了阐述,对其初应变的 确定作者采用了初值预调的方法,略去了较为繁琐的非线性数学计算。第三章天线结构有限元静力分析 第三章天线结构的有限元静力分析 ?.引言 结构静力分析是验证结构刚度和强度的最低要求。在单元类型已经确定的情 况下,本章的主要任务是有针对性的确定好单元尺寸,对所建立的结构有限元模 型进行静力分析。首先是对天线自重载荷下的静力分析,其次对天线结构在受迎 面与背面两个方向稳态风荷作用下的静力分析,最后分别算出天线在两种静力荷 载下的均方根误差。 ?.重力载荷的处理 ?..单元尺寸 单元尺寸和密度确定后,结构的重力荷载也就确定了下来。表.给出了结构 单元的尺寸参数。反射面网选用直径.的钢丝编织而成,计算出整个反射面 网的重量,然后将其离散到反射面的各个节点上。 表.单元参数 直径 结构名称 单元类型 壁厚 弹性模量 密度 底部 背架 , 其余 / 反射面骨架.. 斜拉索 ?..重力载荷下的计算结果柔索结构大型射电望远镜天线结构设计与分析 图. 天线自重载荷节点位移变形图 由图。可以看出,天线节点位移变形较大的地方发生在天线腹部,在、 、三个方向上变形最大的节点分别为: 节点 方向最大位移:。..一, 方向最大位移:,.., 节点 节点 方向最大位移::.., 节点最大位移: ., 节点 图. 天线自重载荷节点位移变形图 图.为天线节点位移变形图。其最大节点位移发生在天线中腹部 反射面节点在、、三个反向上的最大位移分别为: 节点 方向最大位移:。一.一, 节点 方向最大位移:。..一, 节点 方向最大位移::一.一, 节点 ., 节点最大使移; 图. 天线自重载荷节点位移变形图第三章天线结构有限元静力分析 图为天线节点位移变形图,其最大节点位移发生在天线顶端,反 射面节点在、、三个反向上的最大位移分别为: 节点 方向最大位移:。一.., 方向最大位移:,一.., 节点 节点 方向最大位移::.,., 节点最大位移: .., 节点 ?. 稳态风荷的处理 工作在露天的天线。风荷是必须考虑的一种重要的载荷。特别是在强度计算 时 风荷往往起着决定性作用。同时,风荷引起反射面和背架变形,影响反射面精 度, 引起偏焦和指向误差,因此在天线的网度计算中,风荷的影响非常重要。风由 稳 态风和瞬态风组成,这里只考虑稳态风。 天线的总体结构为平面桁架结构。通常桁架的风阻力是按整体来考虑,其阻 力 可以这样确定: , 式中一桁架的阻力系数;。?桁架的实体面积各杆的投影面积总和:日?风 压。在天线结构设计中,一般取 , 了‘ 】【】 桁架的阻力系数与下列因素有关: 实体比中。中是桁架各杆投影面积总和。与桁架轮廓面积之比,即 . 中?/ 式中,卜桁架的长度:?输架的高度。 长离比。/。 风向角口。 桁架构件的截面形状。 因此,桁架的阻力系数可写为 。 式中。一与实体比中及构件截面有关的系数; 一因长高比不同的修正系数: 一风向角的修正系数。 已知天线与水平面的夹角为度,以当地最大风力八级风风速/,风 向分别指向天线正面与背面两个方向计算。当风从天线背面吹时,天线结构受到 一个向右的水平力和竖置向上的升力。反之,天线结构受到一向左的水平力和竖柔索结构大型射电望远镜天线结构设计与分析 置向下的压力。将风力离散到天线反射网面的各个节点上,最后算出风荷对天线 结构的影响。 图. 天线受正面风荷节点位移变形图 圈. 天线受背面风荷位移变形图 图. 天线受正面风荷节点位移变形图第三章天线结构有限元静力分析 图. 天线受背面风荷位移变形图 图. 天线受正面风荷节点位移变形图 图. 天线受背面面风荷节点位移变形图 对、、天线分别在天线正面与背面加载风荷,风速为/,则 天线各节点的位移变形如图.~.所示:从图中位移矢量箭头及大小我们可以柔索结构大型射电望远镜天线结构设计与分析 看出当天线受正面风荷时,结构受到向左水平力和向下压力,各天线的最大节点 位移相对于只受重力载荷分别由,、.、.变为.、 .和.。可见天线受正面风荷时节点位移增大。当风从天线背面吹时, 结构受到向右的水平力和向上的升力,各天线节点最大位移相对于只受重力 载荷 分别由.、.、.变为.、.和.,可见 天线受背面风荷时,节点位移因风力与重力作用相抵而减小。 ?.反射面变形的均方根值计算 以抛物面的法向误差来计算反射面的均方根误差,图.中为点法向 误差,求得的值,我们必须求出抛物面在总体坐标中的法向量甩,抛物 面在局部坐标系。‘’中的方程为:一,’ / 。 箩 《?善 \/ / 局部坐标系?’与总体坐标系的夹角为‖,’轴与轴重合,方向垂直 一 西:‖吲 ‘ ?到 芦 厣一?? 卢一? ,, 卢 ?五 知道了抛物面各点的法向量,就可根据刚度分析中求出的各节点位移算出抛 物面第三章天线结构有限元静力分析 的法向误差,则抛物面法向误差的均方根值为 咿卢弦 式中?为抛物面节点个数。 表.中给出了天线的部分分析结果,该天线的均方根误差允许最大值不得超 过 ,由表.可看出均方根误差满足要求。对天线由表可看出其最大应力超 过了材料的强度极限,因此,要对天线结构尺寸进行重新考虑。 表.天线部分设计结果 口径 分析类别. . 无风节点最大位移 正面风. 背面风 无风 ..均方根误差 正面风 . . 背面风 无风~口单元最大应力 正面风. 背面风 . 馈潭高度 反射面理论重量. 小 结 利用有限元分析软件,本章对天线结构分别进行了自重载荷和稳态风 作用下的有限元静力分析,对天线结构的刚度和强度分别进行了验证,从分析可 看出,除口径天线不能满足强度要求外,天线其他设计指标均满足设计要求, 说明在静力分析的基础上,这种索、桁结合的天线结构是基本可行的。第四章风荷载的模拟 第四章风荷载的模拟 ?.引言 风荷是天线的主要载荷之一,一般来讲,风荷由两部分组成,一是平均风稳 态风,一是脉动风瞬态风。脉动风荷载是随机荷载,又是风力中的动力成份, 它使结构产生随机振动。因此,在计算结构随机风振之前,必须对脉动风的概率 特性作一全面了解。 根据有关文献】】的研究结果与天线结构的特点,文献】对风荷作如下假 设:?风荷为平稳的且为高斯正态分布的随机过程;?任一瞬时,天线反射 面各点处的风是完全相关的,而且,当风的波长越长、天线结构尺寸越小时,这 种相关性就越强。 结构的抗风分析方法一般可分为频域范围和时域范围两个方面。本文天线结构 的风激动响应是一非线性随机振动问题,目前用来作非线性结构随机振动分析的 频域求解方法有:法、等效统计线性化方法、摄动法、随机模拟方法。其中 法只能用于白噪声激励;等效统计线性化法必须作很多简化;摄动法的工作 量随着所取项数的增加将成倍增加:因此,时域内的随机模拟方法,在菲线性分 析中得到了较广泛的应用。从结构工程师角度看,时域法可使人更壹接了解结构 的特性,可不必在结构抗风分析中做结构的数学模型简化等大量工作,而直接计 算出设计所需要的力和位移的最大值;此外,时域法还可以比频域法获得更多的 有关可能发生疲劳问题的信息。尽管时域分析费时,但随着计算机技术的不断发 展,整个问题是能够克服的。 要对结构进行时域范围内的风振分析,就要发展风载荷的模拟方法,要使风模 拟方法在实际结构设计计算中应用,就要求模拟风尽可能地接近和满足自然风的 特性,方法上要具有普遍性和有效性。 ?.风的基本特性 ?..风的概述 在顺风向的风的时程曲线中,包含有两种成分:一种是长周期部分,其值常在 分钟以上;另一种是短周期部分,常只有几秒左右。据此,实用上常把风分为平均风和 脉动风来分析。平均风的长周期远大于一般结构的自振周期,其对结构的作用力的 速度、方向看成为不随时间改变的静力。脉动风是由于风的不规则性引起的,它的 强度随时间按随机规律变化,它的周期较短,其作用性质是动力的,引起结构的振动, 要用随机振动理论来处理,风的模拟主要是针对脉动风而言。作用于结构上任一柔索结构大型射电望远镜天线结构没计与分析 点坐标,?的风速,,为平均风速和脉动风速,,,之和: 【,,,,,, 。 在已知风速情况下,结合体型系数芦。,空气质量密度和结构的参考尺度, 可得到顺风向沿高度变化的风力: ‖。. 丑 ?..平均风速 平均风速随高度变化的规律一般可有两种表达形式,即按边界层理论得出的对 数风剖面和按实测结果推得的指数风剖面。如式?、所示: 掣: 百吲 二 矿 ‘ 矿 其中,矿:为高度处的平均风速,.为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 高度毛处一般为的平均风速, 口为地面粗糙度系数,气为地面粗糙长度。 ?..脉动风的功率谱 指的是空气质点作随机变化的一种运动状 大气湍流 态,这种状态服从某种统计规律。从风的实测结果可知,风速随时问而随机变化, 这正是由风气流中的湍流所引起的。湍流脉动是各种尺度的涡旋相互叠加和相互 作用的表现,风流的湍流特性对结构的空气动力特性会产生很大影响,因此,可 以认为,大气湍流的特性对风荷载产生很大影响。大气湍流的特性通常是由其湍 流整体尺度、湍流强度、湍流脉动风速自谱和互谱来描述的。 脉动风实际是三维的风湍流,它应包括顺风向、横风向和垂直向的湍流。由于 垂直和横风向的湍流较小,因此一般只讨论顺风向湍流。 从脉动风大量的实测记录的样本时程曲线统计分析可知,若不考虑平均风部分, 脉动风速本身可用零均值的高斯平稳随机过程来描述,且具有明显的各态历经特 性。若按各态历经过程考虑,可以时间的平均代替样本的平均,过程的平均值可和 标准偏差。可完整地定义风速的大小。 通常,同一平稳随机函数在不同时刻的变量相互密切程度可用相关函数来第四章风荷载的模拟 描述,其自相关函数。定义为乘积的集合平均值: 三 蹦『晚亭??川破 一二 它是时延的函数,反映了相隔的两个时刻的随机变量之线性相关程度。自 相关函数的变换可得到功率谱密度自谱: . 。,。 由谢逆变换可知: 尺。。厂‘斫矽 当时, 。。 实用上,功率谱的形状常作为随机振动的标志。在风工程中,根据世界 上不同地点、不同高度测得的多次风记录的谱分析结果,得出顺风向水平脉 动风速 的功率谱函数为?】: 函,?二?了 . . 三:?厂/ 式中:为反映地面粗糙度的系数。丛林、丘陵、田野、乡村等地,取.;上: 是湍流整体尺度,将其取为;矿是离地面高度处的平均 风的风速。 谱由于形式简单,代表性强而获得广泛采用,我国的有关 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 就是 以谱为依据的【】。以双对数坐标表示的风谱见图.。但是, 许多实测结果表明,谱在高频处厂.过高估计了湍流能量,而 这些频率范围对高耸结构来说有重要意义,因为高耸结构的自振频率大多落 在此 范围内。对于高耸结构,应该使用沿高度变化的风速谱,如谱、谱 等。为此我们采用根据实测得到的修正谱为: 洚 ?。 趴毛,争羔号,壮轧南 。 。 其中,是湍流尺度,刃是标准偏差。墨壅堕塑盔型塾皇里墨壁圣些堕塑堡盐兰 坌堑 三生???一一 口. . 口 图. 脉动风速谱 与自相关类似,两个不同随机函数,乘积的集合平均值称为互相关函数 如: 一 矗『。’, 一 』 相应的互功率谱密度函数互谱为: . 。,,‘ 由于风的互相关函数一般不对称,所以互谱。,通常是个复数: ,,。厂一。, 其中实部,门称为共谱密度函数,为偶函数,虚部,称为重谱密度函数, 为奇函数。 互谱密度函数可写成复极坐标形式: 。,刊。, ?‘’?。厂,,‘’. 根据的建议,可取为频率和两点间距的函数: 一生竽 其中,为衰减系数,?为垂直间距,矿为平均风速。 根据文献【】,我们可得到通过无量纲坐标厂专等所作的相位角关系。 从到.,相位角均值近似增加,厂在.到.之间线性减小,在,‘大于. 后,就完全不相关了,并且在一到之间均匀分布。相位角对厂‘的公式如下: 第四章风荷载的模拟 璺?. 一。丝 矿 矿, 圳石黑 祟. 矿 随机数页石。. 此公式可供风模拟时使用。 ?.风的模拟 根据风的记录,脉动风可作为高斯过程及平稳随机过程来考虑。 观察个具有零均值平稳随机过程/,?,,其谱密度函数矩阵为: ? 国 ? 。 ? 点彩鼠?。?鼠。 单元%爿一,;女,?,是相关函数的富里叶变换,如前所述,其互谱 一般是复数,所以该矩阵是复数形式,由于%:国是共轭的,矩阵具有厄尔 米特性质。可以证明上述矩阵是非负定的。 按照分解法,曼国可分解为: 墨??一‘? 彩 国’ ? ?珊日:“? 。? 甜日。国 /,,?, . ?:?./? ‰?川.拒面。,。,珊,】 其中风谱在频率范围内划分成个相同部分,为频率增量,月。,为上述 下三角矩阵元素的模,矿胛,为两个不同作用点之间的相位角。具体模拟时, 可 之间均匀分布的随机数。 按照公式.进行计算。。,为介于和 理论上可证明,的集合平均点和,】为零,而互相关函数胩在时,等于 直接由风谱的富里叶逆变换所得的目标互相关函数。具体推导过程和点珊具有零 主子式时的情况可见文献。柔索结构大型射电望远镜天线结构设计与分析 ?.计算例题和结论 为了验证上述的风模拟方法,计算了九条作用点高度分别从起始,间隔 直到,时间为约的风速时程曲线。 图.表示九条高度的风功率谱,图.表示作用于高度为米的模拟脉动风 速曲线所使用的参数为:一./,,,巧./,., .。 图。九条高度的风功率谱图 图. 处的模拟脉动风 图.表示根据模拟结果,利用快速富里叶变换技术算得的不同高度风速 谱粗糙曲线和按公式.算得的修正风谱光滑曲线。这里采用双对 数坐标轴形式来表示,显然两者吻合的较好。 上述的风模拟方法具有以下特点:考虑了随高度变化的风谱,由于不对称的互 相关函数,在互功率谱中包括了应同时存在的共谱和重谱通常被忽略,以及与频 率有关的相位关系等。我们可在计算机容量许可下,通过提高风谱在频率范围内 的划分数日,使求得的模拟风更接近自然风的特性。第四章风荷载的模拟 ?.天线结构上随机风速的模拟 对于随机风速的模拟主要是用前面所述的方法。下面是根据天线台址当地的 气象资料来确定一些参数以得到相应的风速时程曲线。由式可得脉动风速的 均方值: . :咄 舻赫/ 、‘?,由于脉动风可用零均值的高斯平稳随机过程描述,所以可得脉动 风速的方差: 盯:‖:一/.:/ 为地面粗糙度系数,对有少量树木的开阔草地取.,对有灌木和高树的地貌 取.”,本文取.。进而得脉动风速的均方差: 。:撕而兰.矿 式己将脉动风速的均方差表示为可的线性函数,只要给定一个虿,相应地就 可得到。根据天线台址当地气象局提供的风速资料,近年来的最大风速为/, ,。下面分别对三个口径的天线进行模拟风速 其脉动风的均方差为仃。兰. 计算。 九速度分布统计直方图 模拟风速/图 图.高度时随机风速的模拟样本及分布直方图 作用点高度分别从地面起始,间隔米分别到米、米和米,时间为 秒分钟的风速时程曲线。标准高度米,标准偏差的平方根./, 湍流尺度米,标准高度的风速/,地面粗糙度系数.,衰减系数,风 谱在频率范围内划分成个相同部分,频率增量.。图.、.、.分 别给出对:/时三种高度的各个模拟样本以及相应的速度分布统计直方图。 可以看出样本基本满足正态检验。柔索结构大型射电望远镜天线结构设计与分析 虬』 墟“ 速度分布统计直方图 模拟风速/图 圈.高度时随机风速的模拟样本及分布直方图 勰绷 速度分布统计直方图 模拟风速/图 图.高度时随机风速的模拟样本及分布直方图 小 结 随机风荷载对天线结构的影响是非常明显的,因此对随机风振响应的分析是 系统动力学分析的一个很关键的工作,本章从数学上描述了随机风,对随机风进 行了模拟,所模拟的风荷载基本满足正态检验,为进一步的系统动力学分析做好 准备。第五章天线结构的动力分析 第五章天线结构的动力分析 ?.引言 以往在天线结构设计时常常只考虑静载荷和静特性,只在天线加工出来后再作 动载荷和动特性的测试,如有不合要求的,采用局部补救 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。这种设计路线简 称静态设计、动态校核。即使考虑动载荷,也大都是把动载荷等效为静载荷进行 静力分析。这种方法往往误差较大,容易造成结构笨重或重大返工。随着天线精 度要求的提高,大荷重比天线的出现和对天线重量要求的提高,静态设计法已难 以满足设计要求,有必要进行动态设计,提高产品的设计水平,从而保证天线性 能,减轻重量,降低成本,达到理想的性能价格比】。动力计算的最终目的在于 确定动力荷载作用下结构的内力、位移等量值随时间而变化的规律,从而找出最 大值作为设计或验算的依据。本章在建立结构动力分析模型的基础上,首先对天 线结构进行模态分析,以了解结构的固有频率和振动特性,然后根据前一章由风 速谱生成时域随机风速导出的施加于结构的随机风荷,利用结构非线性有限元动 力分析软件通过直接积分法求解结构的随机风振响应。最后根据天线的动力分析 结果,对天线结构作出进一步的改进,并给出改进后的分析结果。 ?.天线结构的动力学模型 ?..质量矩阵 在有限元分析中,质量矩阵有两种生成方式:一致质量矩阵和集中质量矩阵。 由于一致质量矩阵是一个满矩阵,要耗费很多时间才能形成,数值计算不方便; 应用集中质量矩阵往往得到比较偏低的频率,可是在协调的单元网格中由于刚度 过大,利用这个方法计算,则可以得到较高频率。这两种相反倾向互相抵消,所 以用集中质量矩阵计算频率可以得到比~致质量矩阵更为正确的结果。在 分析中,根据结构有限元模型首先生成单元一致质量矩阵: 】。? 式中【?】为与计算刚度矩阵相一致的