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大射电望远镜整体索网方案的对比研究 fps试验设计 1993年，国际无线电科学协会在日本京都举行。中国、美国和加拿大的物理治疗师开始了一个巨大的辐射望远镜1公里2米的提议。目前世界上许多国家都在积极开展这方面的研究,中国的天文学家提出了利用中国贵州喀斯特地区的洼地,建造具有主动反射面大型射电望远镜FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope)的计划,反射面的基准面为一个半径300m,口径500m的球冠,工作时,利用计算机控制技术使反射面沿观测目标方向瞬时形成300m口径的抛物面(如图1)。该项目作为中科院知识创新工程,将对射电天文学和相关技术科学产生巨大的推动作用。 FAST的反射面支承结构目前主要有两种方案:(1)离散式结构,整个结构分成若干个独立的刚性单元,每个单元通过调节下部的促动器来实现单元的变位,图2为试验模型。单元结构形式有两种:网架结构和张拉结构。(2)整体索网结构,该方案反射面的成形与美国Arecibo望远镜相似,采用整体索网作为反射面的支承结构,索网的每个节点通过三根拉索或一根拉索来控制整个索网的变位,拉索下端与促动器连接,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,支撑和零部件相对减少,从而可以缩短建造周期,降低对洼地形态的要求,并节省下部土木工程的造价。本文采用整体索网结构作为FAST反射面的支承结构,主索网每个节点下只设一根径向拉索(如图3)。目前,整体索网结构的研究刚处于方案研究阶段,本文主要对四边形、凯威特型和短程线型三种整体索网网格划分方案,以及刚性、半刚性和柔性三种子结构方案分别进行了阐述。采用通用有限元分析软件ANSYS进行计算分析,索采用Link10单元。 1 网络的一般理论研究 1.1 索网的正确理解 索网的分析包括3个部分:(1)初始预应力状态分析,目标是使索网在预应力、主索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。(2)工作状态的动态模拟,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。通过同时逐步调整拉索下端的径向位移,进行迭代来实现。(3)索网的受荷分析,根据天文观测的要求和相关设计条件,主要考虑两种风速的风荷载:4m/s的工作风速和20m/s的极限风速。工作风速作用下主要控制索网节点的位移,使其满足变形要求;极限风速作用下应使各索段满足强度要求,并避免松弛现象。 1.2 种方案性能对比及对比 对三种主索网格划分方案:四边形网格、凯威特型网格和短程线型网格分别进行了分析、研究,并作了对比。本文对三种方案均进行了参数分析(索直径、下拉索的长度、初始预应力态分析时索的计算应力),发现这些参数不影响对三种方案的性能对比,所以本文只列出一套参数下的对比情况。主索直径均取28mm,下拉索直径取12mm,长度取10m;进行初始预应力态分析时, 主索预应力取500MPa,拉索预应力取100MPa。反射面板采用双向钢丝网交织而成,其与子结构均作为永久荷载作用于主索网节点处。索为钢绞线,其破断应力为1670MPa,设计应力一般取700MPa左右。 1.2.1 边形单元分布 采用竖平面沿大圆等分的分割方式(图4),单元尺寸约10m,下部径向拉索数为2953根,四边形单元约为700多种。对该方案索网结构进行初始预应力态分析,计算时主索预应力取500MPa,拉索预应力取100MPa,图5给出了初始预应力状态下主索网的应力分布图,应力范围为33.3∽604MPa。 1.2.2 初始预应力态分析 采用凯威特(K6)型网格的分割方式(图6),单元尺寸约8∽12m,下部径向拉索数为3169根,三角形单元约为561种。对该方案索网结构进行初始预应力态分析,计算时主索预应力取500MPa,拉索预应力取100MPa,图7给出了初始预应力状态下主索网的应力分布图,应力范围为0∽902MPa,可见有部分主索应力发生松弛,而且最大应力也超过了索材料强度的设计值。这是由于凯威特型网格分布局部不均匀引起的。 1.2.3 索数、四边形单元 采用短程线型网格的分割方式(图8),单元尺寸约11∽12m,下部径向拉索数为2289根,四边形单元种类为32种。对该方案索网结构进行初始预应力态分析,计算时主索预应力取500MPa,拉索预应力取100MPa,图9给出了初始预应力状态下主索网的应力分布图,应力范围为104∽557MPa。 1.2.4 两种网格的比较。根据现代社会 表1列出了三种整体索网方案一些定量和定性的比较结果。通过以上的分析可以看出:由于方案二凯威特型网格划分局部不均匀,在初始预应力态就发生了索网松弛和应力超过材料设计值的现