CN104752821A - 一种金属网壳结构球形天线罩快速构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属网壳结构球形天线罩快速构建方法，属于土木工程金属网壳力学和电子工程学的交叉领域。该方法首先构建了32面体及其变体，然后选定五边形同步旋转随机要素，通过5边形转角控制，建立平面变异基元。在新的变异平面基元上，采用测地投影法通过变异基元面中心与边界中点和5边形中心向32面体变体外接球面进行拓扑映射变换，进行随机三角形构型球形多面体的主体构建。最后给出球形天线罩网壳总体拓扑结构设计。构成总体天线罩的是棚面膜板和节点座装配构件，聚酯张膜结构膜板和三角形金属框架结构设计同天线罩总体拓扑结构设计相结合，使金属天线罩具有良好的力学性能和电磁性能，并有超强的抗风雪能力和较小的辐射损失特性。

Description

一种金属网壳结构球形天线罩快速构建方法

技术领域

本发明涉及一种金属网壳结构球形天线罩快速构建方法，属于土木工程金属网壳力学和电子工程学的交叉领域，是基于拓扑学、空间几何和结构力学，以及电磁辐射学等多学科融合建立的三角形构型金属网壳结构天线罩的理论设计和快速建造方法。

背景技术

金属网壳天线罩有非常广泛的用途，可用作接收遥感卫星传回大地遥感数据的装置，例如俄罗斯“撒马拉”大地遥感数据接收与处理中心天线罩，可以保证全天候准确接收遥感测试数据，给出矿山、地质的赋存状态和农田与海洋监测结果，以便评估地质特征参数和矿物贮藏量、当年农作物产量和海洋水质变化。

法国海军迪皮依.德.洛梅号雷达侦察舰卫星通信天线罩，使用60面体非标准球形网壳金属罩制成。德国慕尼黑附近的巴特艾布尔卫星通信雷达天线罩，使用球形240面体金属天线罩构建。金属网壳天线罩也常用在天文望远镜上。2012年6月，南京紫金山天文台从驻在美国的爱尔兰ESSCO公司进口一台与直径13.7米天文望远镜配套的20.37米直径球形金属网壳天线罩，在3G～120GHz频段具有良好的电磁特性，属于换代新型产品，安装在青海德令哈市东郊，如图1所示。金属网壳天线罩用得较多的是雷达天线罩，特别是直径大于10m的雷达采用金属网壳比玻璃钢壳天线罩的电磁性能和抗风雪损伤力学性能要好很多。图2为爱尔兰ESSCO美国公司设计的240面体直径14.1米雷达天线罩。美国AFC公司，生产的金属天线罩同ESSCO类似，建各型金属天线罩种类较多，构成了8m，9.4m，10.8m，12.5m，14.8m，15.8m，20.7m，等天线罩网壳系列。

我国雷达广泛使用玻璃钢壳天线罩，由于采用基质为玻璃钢材料，使雷达电磁辐射性能对于雷达频率有选择性，当雷达发射频率变化时会产生辐射损失过大的问题；特别是由于玻璃钢材质属于脆性材料，在超强风沙雨雪荷载作用下，容易造成结构破裂导致整体失稳破坏。目前国内外小型雷达天线罩仍广泛使用玻璃钢材质的天线罩，代表的有哈尔滨玻璃钢厂6m雷达天线罩、上海玻璃钢厂10m雷达天线罩。

国外的金属网壳天线罩的设计理论和方法一直没有公布。其基本结构是采用三角形构型平面膜板集成装配而成为大球冠形天线罩，三角形膜板边棱两两螺栓连接，节点采用盖板螺栓连接。

发明内容

本发明主要的目的是解决小于18m的中小型球形金属天线罩的设计方法，给出了金属网壳三角形构型天线罩的主体拓扑结构设计和天线罩基底特殊三角形构型拓扑结构设计，综合主体设计、基底设计及基梁联接设计可以给出完善的具有优良力学和电磁性能的球形网壳天线罩总体拓扑设计方法。

金属网壳天线罩的结构设计基本部件是三角形构型膜板，按天线罩拓扑设计给出膜板结构参数随天线罩直径的变化关系和主体结构、基底结构与地坪基梁结构连接方法，以完成天线罩总体结构设计。

本技术方案基础是由球形金属天线罩网壳设计理论方法，三角形构型金属网壳与薄膜膜板结构构造和快速安装工艺三部分构成的。其中核心技术是球形网壳拓扑结构设计理论方法。

一种金属网壳结构球形天线罩快速构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：构建组合32面体变体，给出变体六边形平面基元，并选定其边长比M；

步骤二：控制32面体5边形绕形心中轴同步旋转角随机要素，给出五边形旋转边交点，取基元形心点、中心三角形角点和基元边中点作为基点，建立无扭曲平面变异基元；

步骤三：以5边形形心点和平面变异基元上的中心点或中心三角形角点与基元边中点诸基点为节点，采用测地投影法自球心过诸节点向32面体外接球进行拓扑映射变换，并与球面上5边形角点对应相连，完成球形多面体主体三角形构型的拓扑方法。

在实现球形天线罩基底拓扑设计时，包括以下步骤：

步骤一：选择过球形网壳下部五边形下角点，或5边形临近次下角点进行平面纬线环向切割；

步骤二：调整切面附近各节点位置和连接线方向，使节点落在相应正多边形基底圆周上，并使构建天线罩基底特殊三角形构型和主体三角形构型相适配。

在实现组装膜板与多节点座构造设计和天线罩总体结构设计时，包括以下步骤：

步骤一：按节点拓扑结构参数确定杆间弦面角值和标准角值，对柱形节点座进行分立构造设计，使拓扑相邻三个节点与杆件进行双螺孔连接或焊接形成稳定三角形结构；

步骤二：在三角形构型金属框架上表面用拉膜张紧方法固定高强聚酯膜，形成制式膜板；

步骤三：进行膜板和上盖压板安装时，用长螺栓将压盖、胶环、拼接膜板和节点底座板紧密压紧，并与基梁、基础结构牢固联接，达到天线罩总体设计和快速吊装安装。

从球形32面体出发，以球形32面体变体为理论基础，建立6边形平面基元。引进随机要素，包括绕五边形形心中轴旋转要素和变异平面基元基点的球面映射节点要素。为解决中小型天线罩网壳主体结构设计，采用测地投影法通过5边形与基元6边形形心或基元中心三角形角点、基元边界中点诸基点节点，自球心向球面进行拓扑映射变换，获得天线罩主体结构球面三角形构型数据。将球形主体结构三角形构型数据和基底映射特殊三角形构型数据耦合起来，可建立起完善的适合中小型球形金属天线罩网壳结构理论设计方法。

1、球形金属网壳设计理论方法

构建中小型球形金属网壳结构的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)构建组合32面体变体及其外接球面，建立六边形平面基元，并选定其边长比M；

(2)通过正5边形绕形心中轴同步旋转，寻求五边形旋后交点，并建立具有非扭曲平面特性的变异平面基元；

(3)选择基元中心点或基元中心三角形角点、基元边中点和5边形中心点作为基点节点，自球心过诸节点向球面进行拓扑映射变换，在球面上使映射基点节点彼此两两相连并与5边形角点对应相连，求出球面基元诸基点节点参数和相应边长。随后用基元的中心对称性质将参数拓展到全球面一般区域，完成球形主体三角形构型网壳拓扑设计；

(4)选择过球形网壳下部五边形下角点或邻近次下角点，进行平面纬线环向切割，调整切面附近各节点位置和连接线方向，使节点落在相应正多边形基底圆周上，并使构建天线罩基底特殊三角形构型和主体三角形构型相适配，从而完成天线罩基底拓扑结构设计和总体天线罩结构设计。

2、球面三角形构型天线罩主要技术参数

根据球形网壳构建方法获得140面体、180面体、240面体和320面体天线罩的主体与基底重要技术参数以及球形天线罩半径比，还可以给出球形三角形构型网壳面数与节点数、棱边数的关系。如表1所示。

表1.三角构型球形网壳天线罩主体和基底参数

三角构型球面网壳面数S、节点数J、棱边数L满足欧拉定理：

L＝S+J-2

建立节点和棱边计算公式：

棱边数 $L=\frac{3S}{2}$

节点数 $J=\frac{S}{2}+2$

建立网壳主体构型数公式： $T_P=\mathrm{Int}\left(\frac{S-20}{60}\right)+1$

由表可见，球面基元分析法的子基元三角形构型种类数、节点种类数、棱边种类数较少，已获得类型数优化。

3、天线罩网壳膜板结构和节点装配结构

球形金属天线罩的基本部件是三角形构型金属框架与聚酯纤维薄膜膜板，膜板采用将聚酯纤维薄膜预张的方法张紧，金属框架用条带钢板或矩形铝型材制备，节点角端用控制弦面角方法设计并按换算标准角进行精密加工。铣出节点圆柱的标准角度后与框架杆件进行双钻孔连接固定，或利用模具焊接好节点座的圆柱框架杆件。然后将两膜板三角形间边棱两两紧靠，用螺钉紧固。膜板螺纹紧固结构装配图和节点框架结构联接后外景与内视图，如图3所示。构造设计与安装见第八部分5节。

4、金属网壳天线罩地坪节点结构设计

金属网壳接地连接设计，先采用螺接膜板或焊接膜板给出基底三角形构型结构膜板，将其底边螺纹联接固定在正多边形高刚性钢板基梁上，再用地脚螺栓旋紧固定在混凝土平台上。如图4所示。

5、金属网壳天线罩快速安装工艺

在天线罩预装地点，在平整浇注钢筋混凝土板地坪基础上进行天线罩钢基梁底脚螺栓锚定，将网壳基底特殊三角构型底边板用螺栓固定在基梁上。然后利用长臂吊车将按照拓扑关系组合好的环形基底膜板逐次向上吊装、对位，再进行框架膜板边杆间的螺纹连接固定并将节点压盖拧紧，快速完成天线罩总体安装。

试验证明，本球形金属天线罩的有益效果是，发明了平面变异基元的非扭曲特性和基元面上节点拓扑映射方法，可以按着天线罩设计的力学与电磁性能指标要求，调整球面参数旋转角要素和非扭曲平面上诸基点拓扑映射要素，自主进行金属天线罩的系统拓扑构型优化，完成各种中小型抗御强风暴雨和沙尘与厚雪荷载的高性能中小型天线罩的设计。

本金属天线罩产品结构紧凑，加工安装简便迅速，价格是国外同类产品的三分之一，可以取代国外产品进口应用于我国遥感遥测技术、电子雷达、气象雷达和天体观测雷达天线罩的设计和安装实施。

附图说明

图1为青海直径20.73米天文望远镜金属天线罩；

图2为爱尔兰ESSCO直径14.1m 240面体金属天线罩；

图3-1为本发明三角形构型180面体雷达天线罩整体结构外部结构示意图；

图3-2为本发明三角形构型180面体雷达天线罩整体结构内部结构示意图；

图4为本发明球形金属天线罩基底膜板与底梁焊接法连接图；

图5为本发明140面体平面变异基元展平示意图(点划线为非扭曲基元平面边界)；

图6为本发明140面体非扭曲平面变异基元及球坐标系中基元空间三维投影图；

图7-1为本发明球形140面体三维分支投影图；

图7-2为本发明天线罩主体基元构型与基底特殊构型的分支投影图；

图8为本发明140面体天线罩三维立面投影图；

图9为本发明180面体平面变异基元展平示意图(点划线为非扭曲平面基元)；

图10为本发明180面体平面变异基元及基元映射三维投影图图；

图11-1为本发明球形180面体三维分支投影图；

图11-2为本发明主体基元三角形与基底特殊三角形构型分支投影图；

图12为本发明球形180面体天线罩三维立面投影图；

图13为本发明球形240面体平面异型基元示意图；

图14-1为本发明球形240面体主体平面变异基元三维投影图；

图14-2为本发明球形240面体主体平面变异基元三维投影图；

图15-1为本发明球形240面体天线罩总体三维分支截面投影图；

图15-2为本发明球形240面体天线罩罩体立面投影图；

图16为本发明球形320面体平面变异基元图；

图17-1为本发明球形320面体三维分支投影图；

图17-2为本发明天线罩主体基元三角形与基底特殊三角形构型分支投影图；

图18-1为本发明球形320面体天线罩主体平面变异基元三维投影图；

图18-2为本发明球形320面体天线罩主体平面变异基元三维投影图；

图19为本发明球形天线罩三角形角节点和连杆螺接装配图(其中：1-角节点，2-边杆，3-张紧薄膜，4-密封粘结胶带)；

图20-1为本发明角节点顶盖结构示意图(其中：1-角节点，2-边杆，5-底盖，6-膜板组合联接孔)；

图20-2为本发明三角形构型膜板装配构造图(其中：7-顶盖，8-长螺栓，9-橡胶垫，10-膜板)；

图21为本发明采用焊接法球形金属天线罩基底特殊三角形构型膜板与底梁连接结构图(其中：2-边杆，11-紧固螺栓，12-加固角板，13-加固内板，14-底脚螺栓，15-底膜板边杆，16-基梁)；

具体实施方式

下面结合附图3-图21，以140面体、180面体和240面体和320面体为例，说明本发明金属网壳天线罩的具体实施方式。

1、球形140面体金属网壳天线罩构建步骤：

(1)选取边长比M＝1∶0.65建立32面体变体平面基元，如图5虚线六边形所示；

(2)按随机设计要素要求，同步旋转正5边形一个转角α，获得5边形转动边上交点为J，使交点同基元长边诸中点D连接，形成的新基元定义为球形网壳非扭曲平面变异基元，如图5中点划线所示。

(3)在平面变异基元上，选定形心点O₁作为基点，选择基元平面极坐标和过球心空间柱坐标系，作球心O射线将心点映射到球面，并使与邻近三个5边形角点两两相连，计算出诸节点夹角和边长特征值，用空间几何方法或ProE程序给出主体网壳三角形构型有3个。给出的球形140面体主体网壳的基元三维实体图如图6所示，球形网壳主体分支与基底三维空间投影图，如图7所示。

(4)构建天线罩基底拓扑结构三角形参数，选择过球形网壳下部五边形次下角点，进行同纬度平面切割，获得角节点落在相应正10边形基底圆周上，作为构建天线罩基底的底边。同纬度切割构成的特殊三角形构型有3个，节点一种，杆长3种，如图8所示为接地天线罩总体三维立面投影。

最后通过三角形模板和节点装配结构设计，完成球形140面体三角形构型天线网壳总体三维结构构造全部设计，满足实用化要求。

2、球形180面体金属网壳天线罩构建步骤：

(1)选取边长比M＝1∶1.3建立32面体平面基元

(2)同步旋转正五边形一个转角α，获得5边形转动边上交点为J，使诸交点同基元长边诸中点D连接，形成球形网壳平面变异基元，如图9点划线所示。

(3)在平面变异基元上，选定基元中心点基点O₁，自球心向基元中心O₁和五边形中心C作射线映射投影到球面，然后与五边形对应角点A两两相连，计算出诸节点角和边长特征值，用空间几何方法或ProE程序给出球面三角形构型球形主体网壳的基元映射图10，和分支三维投影实体图，如图11所示

(4)在低纬度5边形下角点作切割平面，调整邻近节点，使之落到正10边形圆周上，可给出球面节点和三角构型同胚拓扑设计参数。经设计计算，投影后有球形主体天线罩网壳三角形构型3种、节点3种，杆长5种；基底网壳三角形特殊构型3种、节点1种、杆长3种。

最后通过三角形膜板和节点结构设计完成180面体三角形构型天线网罩总体设计三维立面投影，如图12所示。

3、球形240面体金属网壳天线罩构建步骤

(1)选取边长比M＝1∶1.5建立32面体变体平面基元。

(2)同步旋转32面体正五边形一个转角α，获得5边形转动边上交点为J，使诸交点同基元长边诸中点D连接，形成的新基元定义为球形网壳非扭曲平面变异基元。如图13中点划线所示。

(3)在平面变异基元上，选定边中点D、形心点O₁作为基点，将五边形形心点C，变异平面上的边中点D与形心点O₁基点通过球心射线经拓扑映射投影到球面，计算出诸节点角和边长特征值，将诸基点节点和五边形角点两两相连，用空间几何方法或ProE程序给出三角形构型球形网壳基元的三维投影图，如图14所示。

(4)给出一般区域球面节点和三角构型拓扑设计参数。对于240面体主体网壳，经设计计算，投影后有基元球面节点和五边形球心点节点共4种，杆长有6种，三角形构型4个。

(5)构建天线罩基底拓扑结构三角形参数。选择过球形网壳下部五边形下角点，进行同纬度平面切割，调整邻近基元节点，使下角点和诸节点落在纬面相应正15边形基底圆周上，作为构建天线罩基底三角形的底边。如240面体案例主体基本构型4个三角形之外，另有基底特殊三角构型4个，需要设计特殊三角形构型与正15边形地梁的拓扑连接。最后通过三角形膜板和节点结构设计完成球面三角形构型网壳总体三维结构设计，如图15所示。

4、球形320面体金属网壳天线罩构建步骤

(1)选取边长比M＝1∶1.7建立32面体变体平面基元。

(2)同步旋转32面体正五边形一个转角α，获得5边形转动边上交点为J，使诸交点同基元长边诸中点D连接，形成的新基元定义为球形网壳非扭曲平面变异基元。如图16中的点划线所示。

(3)在平面变异基元上，选定边中点、形心点O₁外的中心三角形随机角点为基点，将五边形形心点C、变异平面上的边中点D、中心三角形角点E诸基点通过球心射线经拓扑映射投影到球面，计算出诸节点角和边长特征值，将诸基点节点和五边形角点两两相连，用空间几何方法或ProE程序给出三角形构型球形网壳变异基元法构建的五分之一分支三维投影及天线罩三维投影图，如图17所示。

(4)给出一般区域球面节点和三角形构型拓扑设计参数。对于320面体主体网壳，经过球心及诸节点投影后，基元球面主体三角形构型6个，基元节点和五边形球心点节点共有4种，杆长有8种，。

(5)构建天线罩基底拓扑结构三角形参数。选择过球形网壳下部五边形下角点，进行同纬度平面切割，调整邻近基元节点，使下角点和诸节点落在纬面相应正15边形基底圆周上，作为构建天线罩基底三角形的底边。主体基本构型6个三角形之外，另有基底特殊三角构型5个，需要设计特殊三角形构型与正15边形地梁的拓扑连接，产生基底节点6个，边长7个。最后通过三角形膜板和节点结构设计完成球面三角形构型网壳基元与天线罩总体三维结构设计，如图18所示。

5、球面三角形构型天线罩节点座与膜板组装构造设计与安装

球面三角形构型球形天线罩采用三角形膜板组合装配方法，提出的节点座分立与杆件强化连接构成三角形金属框架并将高强聚酯膜片进行张紧固定，然后进行膜板对应螺栓连接组合装配的方法，加强了膜板三角形的刚度和天线罩整体刚度和稳定性。

(1)组合节点构造

组合节点包括分立角节点座1和连杆2形成三角形金属框架，如图19所示。组合节点构件三角形是主体网壳结构力学设计、电磁辐射学设计的基础，杆件与节点座连接是总体结构受力部件，又是控制天线罩电磁性能优化的关键部位。分立节点座杆件刚性好，可以承受风沙雨雪荷载力的传递，同时产生很小的散射损失。张紧膜板3设计能承受分布荷载，膜板的薄膜通过张膜工艺张紧，并用密封粘结胶带固定。膜板框架使分布力通过杆件传到球面凸角节点上，构成稳定球面受力体系。

(2)主体网壳顶盖、膜板、杆件和节点座构造设计

顶盖与膜板联接构造如图20所示，顶盖1下面有多膜板的环形锥面，压盖7通过环形橡胶垫2将膜板3和底盖4压紧。底盖4用于先期将各个膜板组合在一起，并用螺钉固定，最后上顶部压盖7时用长螺栓2拧紧到底盖上。

(3)基底网壳基底三角形底边板与基梁联接构造设计

基底三角形底边板15在预先成形时先用角板2和内板13加固，使其在安装过程中稳定地承受上部网壳传递的重力和外荷载；采用底脚螺栓14联接基梁16与基础，形成稳定的天线罩构造体系。

(3)组合膜板与节点座的构造设计与安装包括以下步骤：

步骤一：按节点拓扑结构参数确定杆间弦面角值和标准角值，对柱形节点座进行分立设计，使拓扑相邻三个节点与杆件用定位双孔螺栓进行连接，形成稳定三角形框架膜板结构；

步骤二：在三角形构型金属框架上表面用拉膜张紧方法固定高强聚酯膜，涂覆高强粘接胶并固定，以形成制式膜板；

步骤三：用长螺栓将压盖、胶环、膜板和节点底座板紧密压紧，并与基梁基础结构牢固联接，并分步完成天线罩总体吊装安装。

Claims (3)

1.一种金属网壳结构球形天线罩快速构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：构建组合32面体变体，给出变体六边形平面基元，并选定其边长比M；

步骤二：控制32面体5边形绕形心中轴同步旋转角随机要素，给出五边形旋转边交点，取基元形心点、中心三角形角点和基元边中点作为基点，建立无扭曲平面变异基元；

步骤三：以5边形形心点和平面变异基元上的中心点或中心三角形角点与基元边中点诸基点为节点，采用测地投影法自球心过诸节点向32面体外接球进行拓扑映射变换，并与球面上5边形角点对应相连，完成球形多面体主体三角形构型的拓扑方法。

2.根据权利要求1所述的球形天线罩快速构建方法，其特征在于，在实现球形天线罩基底拓扑设计时，包括以下步骤：

步骤一：选择过球形网壳下部五边形下角点，或5边形临近次下角点进行平面纬线环向切割；

步骤二：调整切面附近各节点位置和连接线方向，使节点落在相应正多边形基底圆周上，并使构建天线罩基底特殊三角形构型和主体三角形构型相适配。

3.根据权利要求1所述的球形天线罩快速构建方法，其特征在于，在实现组装膜板与多节点座构造设计和天线罩总体结构设计时，包括以下步骤：

步骤一：按节点拓扑结构参数确定杆间弦面角值和标准角值，对柱形节点座进行分立构造设计，使拓扑相邻三个节点与杆件进行双螺孔连接或焊接形成稳定三角形结构；

步骤二：在三角形构型金属框架上表面用拉膜张紧方法固定高强聚酯膜，形成制式膜板；

步骤三：进行膜板和上盖压板安装时，用长螺栓将压盖、胶环、拼接膜板和节点底座板紧密压紧，并与基梁、基础结构牢固联接，达到天线罩总体设计和快速吊装安装。