CN104932258A - 一种望远镜反射面力学模型修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种望远镜反射面力学模型修正方法，利用全站仪测量地锚节点坐标和主索节点坐标；采用磁通量传感器测取边缘主索索力；利用望远镜总控系统监测促动器行程位置和环境温度及望远镜总控系统监测促进器油压载荷PJ；将前述步骤中测量的地锚节点坐标和主索节点坐标、监测的促动器行程位置和环境温度的数据信息输入有限元模型中进行检验计算；限元模型输出模拟值：边缘主索索力模拟值和促动器载荷模拟值；比较模拟值。利用本发明的修正方法可以将力学模型中的两种边界条件与实测结果实现统一。同时，结合现场各种可测参数对设计阶段的力学模型进行检验，必要时适当修正，形成尽可能接近实际情况的力学模型，实现望远镜的准实时反馈控制功能。

Description

一种望远镜反射面力学模型修正方法

技术领域

本发明涉及一种望远镜反射面力学模型修正方法。

背景技术

中国科学院国家天文台建造的500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称FAST)，是世界最大的单口径射电望远镜，其突破了地面望远镜的百米工程极限，开创了建造巨型射电望远镜的新模式。FAST的总体技术指标：口径为500m，反射面曲率半径为300m；照明区口径为300m，焦比f/D =0.467。

FAST主动反射面是由圈梁、反射面、索网、促动器、地锚等组成。索网安装在圈梁上，有2225个节点，在索网节点上安装有约4450个反射面单元形成反射面，每个节点下方连有下拉索和促动器，促动器再与地锚连接。通过控制促动器，实现300米口径瞬时抛物面进行天文观测。

反射面单元分为三角形和四边形两大类，其中三角形反射面单元为空间网架结构，边长约为10.4～12.4米，是由背架、调整装置、面板及连接关节等组成，每个三角形反射面单元重量约为500公斤。反射面单元背架在顶点上均装有连接关节，通过这些连接关节将其悬挂在索网节点上形成望远镜反射表面。

基于力学仿真技术辅助望远镜实现准实时控制，准确的力学模型是必不可少的前提条件。索网与圈梁结构在制造及安装过程中势必存在一定误差，例如圈梁与索网连接耳板的空间定位精度约为15mm，单个主索构件的长度误差控制水平为±1mm，下拉索长度误差为±10mm，以及各种构件之间的配合间隙等。这些因素都会影响索网的内力分布及反射面控制精度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种望远镜反射面力学模型修正方法，该方法结合现场各种可测参数对设计阶段的力学模型进行检验，必要时对其进行适当修正，形成尽可能接近实际情况的力学模型，来辅助望远镜反射面实现准实时的控制精度补偿。

为实现上述目的，本发明一种望远镜反射面力学模型修正方法，具体为：

1）利用全站仪测量地锚节点坐标和主索节点坐标；

2）采用磁通量传感器测取边缘主索索力；

3）利用望远镜总控系统监测促动器行程位置和环境温度；

4）同时利用望远镜总控系统监测促进器油压载荷PJ；

5）将步骤1）中测量的地锚节点坐标和主索节点坐标、步骤3）中监测的促动器行程位置和环境温度的数据信息输入有限元模型中进行检验计算；

6）限元模型输出模拟值：边缘主索索力模拟值和促动器载荷模拟值；

7）比较步骤2）中的边缘主索索力和步骤6）中的边缘主索索力模拟值，以及比较步骤4）中的促进器载荷和步骤6）中的促进器油压载荷模拟值；如果比对结果相符合，输出力学模型；如果比对结果不相符合，形成比对数据，利用小模量逆迭代算法调整主索无应力长度。

进一步，所述步骤1）中采用自动巡靶测量模式进行测量。

进一步，所述步骤5）中的有限元模型为利用有限元软件ANSYS，建立FAST反射面支撑结构的整体模型，索网采用LINK10单元模拟，圈梁则采用BEAM188单元。

进一步，所述步骤1）、2）、3）、4）的测量时间为凌晨2点到5点之间。

进一步，所述步骤7）中的小模量迭代算法，具体为：

第一步：在有限元模型中，设定主动调控径向索的弹性模量为虚拟小值，同时给下拉索施加已确定的径向索初张力PJ和自重载荷；

第二步：计算平衡状态时节点m偏离目标位置d1距离；

第三步：将偏离位移d1反向加于初始状态来进行调整索网的初始计算位置，初始计算预应力不变，在预应力和结构自重作用下经过重新计算结构再次处于平衡状态时节点m偏离目标位置距离为d2，d2<d1；

第四步：重复第二步进行迭代，由于di 越来越小，结构最终能够在满足精度的范围内到达目标状态；

第五步：将下拉索弹性模量按修改为其实际弹性模，至此模型修正工作结束。

利用本发明的修正方法对望远镜反射面力学模型修正工作后，可以将力学模型中的上述两种边界条件与实测结果实现统一。对于索网的测量与控制来说，这样的修正可以保证力学模型的实用性。同时，结合现场各种可测参数对设计阶段的力学模型进行检验，必要时对其进行适当修正，形成尽可能接近实际情况的力学模型，从而实现望远镜的准实时反馈控制功能。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

本发明为实现望远镜的准实时反馈控制功能，需要虚拟辅助控制系统能快速地反馈数据处理结果。如果采用时程分析方法对索网变位过程进行模拟，模拟所需要的时间可能要比实际变位观测的时间还要长。所以必须简化索网变位过程的分析方法，大幅提高系统计算效率。在此基础上，选择合适的商业有限元软件和计算机系统，必要时自行编制有限元程序或采用并行计算设备。

由于调整主索无应力长度的逆迭代算法比较特殊，本发明的是以实际测量的促动载荷为基准，输入到有限元模型中，再利用逆迭代方法实现索网找形计算。在此过程中，主索无应力长度将自动得到修正。

主索网总共6670根主索，可测量的下拉索载荷共2225个。如果建立非齐次线性方程组去求解所有索力，即便知道所有节点的精确位置，其边界条件也不够充分，即解不唯一。但是索网的变位控制的实质是力和形的控制，也就是位移和载荷边界条件的控制。而经过如图1所示的修正工作后，可以将力学模型中的上述两种边界条件与实测结果实现统一。对于索网的测量与控制来说，这样的修正可以保证力学模型的实用性。

如图1所示，本发明一种望远镜反射面力学模型修正方法，具体为：

1）利用全站仪测量地锚节点坐标和主索节点坐标；

2）采用磁通量传感器测取边缘主索索力；

3）利用望远镜总控系统监测促动器行程位置和环境温度；

4）同时利用望远镜总控系统监测促进器油压载荷PJ；

5）将步骤1）中测量的地锚节点坐标和主索节点坐标、步骤3）中监测的促动器行程位置和环境温度的数据信息输入有限元模型中进行检验计算；

6）限元模型输出模拟值：边缘主索索力模拟值和促动器载荷模拟值；

7）比较步骤2）中的边缘主索索力和步骤6）中的边缘主索索力模拟值，以及比较步骤4）中的促进器载荷和步骤6）中的促进器油压载荷模拟值；如果比对结果相符合，输出力学模型；如果比对结果不相符合，形成比对数据，利用小模量逆迭代算法调整主索无应力长度。

其中，步骤1）中采用自动巡靶测量模式进行测量。

步骤5）中的有限元模型为利用有限元软件ANSYS，建立FAST反射面支撑结构的整体模型，索网采用LINK10单元模拟，圈梁则采用BEAM188单元。有限元模型的基本构成为：索网采用短程线网格划分，主索之间通过节点断开。整个索网共6670根主索、2225个主索节点，总重约为1300余吨，主索截面一共有16种规格，截面积介于280mm²～1319mm²之间。索网周边固定在环梁上，环梁直径约为500m，总重量约为5350吨。环梁宽度为11m。环梁由50个格构柱支撑，格构柱载面尺寸为4×5.5m。随地势起伏，格构柱高度有较大差异，介于10m至50m之间。

本发明力望远镜反射面力学模型修正方法，主要通过施工过程的实际测量结果实现。主索节点坐标则可利用全站仪测得，采用自动巡靶测量模式，测量工作可以控制在半个小时以内。边缘主索索力则采用磁通量传感器测取，其索力测量精度可以控制在3%，测量时间可以控制在2小时以内。

本发明中，在风力较小的天气情况下，大约凌晨2点到5点之间对上述参数进行联测，即：步骤1）、2）、3）、4）的测量时间为凌晨2点到5点之间。该时间段内温度场最为稳定和均匀，且没有日照辐射效应，此时构件温度可以认为等同于环境温度。索力、促动器载荷和行程位置及主索节点坐标的测量工作须同步进行。根据敏感性分析结果，温度波动超过2度或不同位置温度差异超过1.5度时，则应该停止测量工作。

步骤7）中的小模量迭代算法，具体为：

第一步：在有限元模型中，设定主动调控径向索的弹性模量为虚拟小值，同时给下拉索施加已确定的径向索初张力PJ和自重载荷；

第二步：计算平衡状态时节点m偏离目标位置d1距离；

第三步：将偏离位移d1反向加于初始状态来进行调整索网的初始计算位置，初始计算预应力不变，在预应力和结构自重作用下经过重新计算结构再次处于平衡状态时节点m偏离目标位置距离为d2，d2<d1；

第四步：重复第二步进行迭代，由于di 越来越小，结构最终能够在满足精度的范围内到达目标状态；

第五步：将下拉索弹性模量按修改为其实际弹性模，至此模型修正工作结束。

小模量迭代算法的目标是使结构在预应力作用下处于平衡状态时节点位于目标位置，即主索节点的实测坐标位置。第一步，在有限元分析模型中，设定主动调控径向索的弹性模量为虚拟小值，同时给下拉索施加已确定的径向索初张力PJ和自重载荷；第二步，计算平衡状态时节点m偏离目标位置d1距离；第三步，将偏离位移d1反向加于初始状态（即调整索网的初始计算位置），初始计算预应力不变，在预应力和结构自重作用下经过重新计算结构再次处于平衡状态时节点m偏离目标位置距离为d2，d2<d1；第四步，重复第二步进行迭代，由于di 越来越小，结构最终能够在满足精度的范围内到达目标状态；第五步，将下拉索弹性模量按修改为其实际弹性模，至此模型修正工作结束。本发明中采用大型有限元软件ANSYS的APDL语言，编制了FAST索网结构初始形态分析程序模块，实现了整个初始预应力态分析过程。在此过程中，主索无应力长度将得到自动修正。

由于索网与圈梁结构在制造及安装过程中势必存在一定误差，本发明结合现场各种可测参数检验力学模型的准确性，并对其进行适当修正，形成尽可能接近实际情况的力学模型。本发明涉及大量的现场测量工作，需要对各类传感器的大量测量数据融合、甄别。在边界条件不够充足的前提下，发展力学模型的近似修正方法，对反射面控制的关键参数进行识别、修正，以保证力学仿真技术的应用效果。

Claims (5)

1.一种望远镜反射面力学模型修正方法，其特征在于，该修正方法具体为：

1) 利用全站仪测量地锚节点坐标和主索节点坐标；

2) 采用磁通量传感器测取边缘主索索力；

3) 利用望远镜总控系统监测促动器行程位置和环境温度；

4) 同时利用望远镜总控系统监测促进器油压载荷PJ；

5) 将步骤1）中测量的地锚节点坐标和主索节点坐标、步骤3）中监测的促动器行程位置和环境温度的数据信息输入有限元模型中进行检验计算；

6) 限元模型输出模拟值：边缘主索索力模拟值和促动器载荷模拟值；

7) 比较步骤2）中的边缘主索索力和步骤6）中的边缘主索索力模拟值，以及比较步骤4）中的促进器载荷和步骤6）中的促进器油压载荷模拟值；如果比对结果相符合，输出力学模型；如果比对结果不相符合，形成比对数据，利用小模量逆迭代算法调整主索无应力长度。

2.如权利要求1所述的望远镜反射面力学模型修正方法，其特征在于，所述步骤1）中采用自动巡靶测量模式进行测量。

3.如权利要求1所述的望远镜反射面力学模型修正方法，其特征在于，所述步骤5）中的有限元模型为利用有限元软件ANSYS，建立FAST反射面支撑结构的整体模型，索网采用LINK10单元模拟，圈梁则采用BEAM188单元。

4.如权利要求1所述的望远镜反射面力学模型修正方法，其特征在于，所述步骤1）、2）、3）、4）的测量时间为凌晨2点到5点之间。

5.如权利要求1所述的望远镜反射面力学模型修正方法，其特征在于，所述步骤7）中的小模量迭代算法，具体为：

第一步：在有限元模型中，设定主动调控径向索的弹性模量为虚拟小值，同时给下拉索施加已确定的径向索初张力PJ和自重载荷；

第二步：计算平衡状态时节点m偏离目标位置d1距离；

第三步：将偏离位移d1反向加于初始状态来进行调整索网的初始计算位置，初始计算预应力不变，在预应力和结构自重作用下经过重新计算结构再次处于平衡状态时节点m偏离目标位置距离为d2，d2<d1；

第四步：重复第二步进行迭代，由于di 越来越小，结构最终能够在满足精度的范围内到达目标状态；

第五步：将下拉索弹性模量按修改为其实际弹性模，至此模型修正工作结束。