CN108959711B - 一种天线结构天文辐射效应分析方法 - Google Patents

一种天线结构天文辐射效应分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种天线结构阴影区域划分方法及天线结构天文辐射效应分析方法，其中，天线结构阴影区域划分方法通过确定高程极值点将天线结构反射面分成阴影区域和非阴影区域，准确实现天线结构区域划分；本发明的天线结构天文辐射效应分析方法，充分考虑对流换热系数、辐射换热表面系数和三角形单元表面太阳辐射强度的影响因素，得到每个划分单元的综合温度，实现天文辐射效应的精准分析。

Description

一种天线结构天文辐射效应分析方法
技术领域
本发明属于航空航天技术领域，涉及一种天线结构天文辐射效应分析方法。
背景技术
随着一昼夜太阳自东边升起，西边落下，其作用会在结构表面产生非均匀温度变化，这种作用简称为太阳辐射效应。直接太阳辐射、地面反射辐射、阴影、空气对流等诸多因素均会不同程度的影响该作用。
天文辐射对大型射电望远镜结构型面精度的影响尤为严重，而电磁性能又需要望远镜结构在热流密度变化或者周边环境剧烈变化时，反射面结构经过促动器的调控，仍然能保证超高的型面精度。
太阳辐射在大气上界的分布是由地球的天文位置决定的，称此为天文辐射。天文辐射强度是指到达地面的太阳辐射的强弱。大气对天文辐射的吸收、反射、散射作用，大大削弱了到达地面的太阳辐射。但尚有诸多因素影响天文辐射的强弱，使到达不同地区的天文辐射的多少不同。其辐射效应在时间与空间上也往往表现出短时急变、分布多样等特征。其复杂性与不确定性使得采用常规分析手段难以对其热效应进行计算分析，同时，天线结构本身在服役阶段不同时刻呈现出有不同的俯仰姿态，热传导、对流换热以及阴影遮挡等诸多热激励影响因素均会对天文辐射效应分析产生影响。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种天线结构天文辐射效应分析方法，该方法能实现天文辐射效应的精准分析。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种天线结构阴影区域划分方法，该方法用于将地形图中的天线结构反射面划分为阴影区域和非阴影区域，包括以下步骤：
步骤1，将地形图中的天线结构反射面采用有限单元法划分为多个三角形单元；地形图中天线结构反射面以外的区域为周边地貌区域；
步骤2，将地形图沿日照光线方向采用等间隔的直线分割成多个条带；
步骤3，对每个条带，沿日照光线方向找到周边地貌区域的高程极值点J1，高程极值点J1指的是周边地貌区域中沿z向具有最大值的点；以高程极值点J1为起点，沿日照光线的传播路径在地形图中找到与日照光线相交的点J2，若点J2处于天线结构反射面中，则执行步骤4，若点J2处于周边地貌区域中，则天线结构反射面中的每个三角形单元均属于阴影区域；
步骤4，根据高程极值点J1和点J2确定天线结构反射面中的每个三角形单元属于阴影区域还是非阴影区域，采用的方法如下：
针对每个三角形单元，判断三角形单元的每个顶点的x向坐标是否均处于[xJ1,xJ2]中且y向坐标是否均处于[yJ1,yJ2]中,若是，则该三角形单元为阴影区域，否则，该三角形单元为非阴影区域，其中，xJ1,xJ2分别为高程极值点J1和点J2的x向坐标，yJ1,yJ2分别为高程极值点J1和点J2的y向坐标。
本发明还提供一种天线结构天文辐射效应分析方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，确定初始时刻和结束时刻，将初始时刻和结束时刻之间的每个时刻下的地形图中的天线结构反射面划分为阴影区域和非阴影区域，阴影区域和非阴影区域均包括多个三角形单元；
其中，将初始时刻和结束时刻之间的每个时刻下的地形图中的天线结构反射面划分为阴影区域和非阴影区域，为根据上述的天线结构阴影区域划分方法进行划分；
步骤2，求每个时刻下的非阴影区域的每个三角形单元的综合温度
Figure BDA0001684209090000035
和三角形单元表面太阳辐射强度I，包括以下步骤：
步骤2.1：求辐射换热表面系数hr和三角形单元表面太阳辐射强度I，采用的计算方法如下：
利用ANSYS软件求解公式(1)，得到辐射换热表面系数hr和三角形单元表面太阳辐射强度I：
Figure BDA0001684209090000031
其中，ε为三角形单元表面辐射率，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，Tsur为三角形单元环境表面温度，ρ为太阳辐射吸收系数；Ta为大气温度，Tw为三角形单元表面温度；I为三角形单元表面太阳辐射强度；
步骤2.2：求三角形单元的表面对流换热系数hc，采用公式(2)计算：
Figure BDA0001684209090000032
其中，表面对流换热系数hc的单位为W/(m2·K)，v为当地风速，Ta为大气温度，Tw为三角形单元表面温度；
步骤2.3：求三角形单元的综合温度
Figure BDA0001684209090000033
采用公式(3)计算：
Figure BDA0001684209090000034
其中，Ta为大气温度，Tw为三角形单元表面温度，ρ为太阳辐射吸收系数，I为三角形单元表面太阳辐射强度，qs为外表面换热系数，单位为W/(m2·K4)，hc为三角形单元的表面对流换热系数，hr为三角形单元的辐射换热表面系数；
步骤3，将初始时刻下的阴影区域的每个三角形单元的表面温度，作为初始时刻和结束时刻之间的每个时刻下的该三角形单元的综合温度
Figure BDA0001684209090000041
步骤4，将步骤2得到的每个时刻下的非阴影区域的每个三角形单元的综合温度
Figure BDA0001684209090000042
和三角形单元表面太阳辐射强度I，以及步骤3得到的每个时刻下的阴影区域的每个三角形单元的综合温度
Figure BDA0001684209090000043
均输入到天线结构有限元模型中，天线结构有限元模型输出每个时刻下的每个三角形单元的应力值和变形值。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明的天线结构阴影区域划分方法，通过确定高程极值点将天线结构反射面分成阴影区域和非阴影区域，准确实现天线结构区域划分；本发明的天线结构天文辐射效应分析方法，充分考虑对流换热系数、辐射换热表面系数和三角形单元表面太阳辐射强度的影响因素，得到每个划分单元的综合温度，实现天文辐射效应的精准分析。
下面结合附图和具体实施方式对本发明的方案作进一步详细地解释和说明。
附图说明
图1是地形图中条带分割示意图；
图2是天线结构阴影区域划分示意图；
图3是一天中各时刻天线结构最高温度图；
图4是一天中各时刻天线结构最大分别温差图；
图5是8:30面板温度场；
图6是12:00面板温度场：
图7是15:30面板温度场；
图8是不同观测角度对应的一天中由日照非均匀温度场引起的最大变形值。
具体实施方式
本发明提供一种天线结构阴影区域划分方法，该方法用于将地形图中的天线结构反射面划分为阴影区域和非阴影区域，该方法包括以下步骤：
步骤1，将地形图中的天线结构反射面采用有限单元法划分为多个三角形单元；地形图中天线结构反射面以外的区域为周边地貌区域。
步骤2，将地形图沿日照光线方向采用等间隔的直线分割成多个条带。本实施例中，间隔为5m。参见图1。
步骤3，对每个条带，沿日照光线方向找到周边地貌区域的高程极值点J1，高程极值点J1指的是周边地貌区域中沿z向具有最大值的点；以高程极值点J1为起点，沿日照光线的传播路径在地形图中找到与日照光线相交的点J2，若点J2处于天线结构反射面中，则执行步骤4，若点J2处于周边地貌区域中，则天线结构反射面中的每个三角形单元均属于阴影区域。参见图2。
步骤4，根据高程极值点J1和点J2确定天线结构反射面中的每个三角形单元属于阴影区域还是非阴影区域，采用的方法如下：
针对每个三角形单元，判断三角形单元的每个顶点的x向坐标是否均处于[xJ1,xJ2]中且y向坐标是否均处于[yJ1,yJ2]中,若是，则该三角形单元为阴影区域，否则，该三角形单元为非阴影区域，其中，xJ1,xJ2分别为高程极值点J1和点J2的x向坐标，yJ1,yJ2分别为高程极值点J1和点J2的y向坐标。
本发明的第二个方面还提供一种天线结构天文辐射效应分析方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，确定初始时刻和结束时刻，将初始时刻和结束时刻之间的每个时刻下的地形图中的天线结构反射面划分为阴影区域和非阴影区域，阴影区域和非阴影区域均包括多个三角形单元。
步骤2，求每个时刻下的非阴影区域的每个三角形单元的综合温度T*和
sur三角形单元表面太阳辐射强度I，包括以下步骤：
步骤2.1：求辐射换热表面系数hr和三角形单元表面太阳辐射强度I，采用的计算方法如下：
利用ANSYS软件求解以下方程组，得到辐射换热表面系数hr和三角形单元表面太阳辐射强度I：
Figure BDA0001684209090000061
其中，ε为三角形单元表面辐射率，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，Tsur为三角形单元环境表面温度，ρ为太阳辐射吸收系数。Ta为大气温度，Tw为三角形单元表面温度。
步骤2.2：求三角形单元的表面对流换热系数hc，采用公式(2)计算：
Figure BDA0001684209090000062
其中，表面对流换热系数hc的单位为W/(m2·K)，v为当地风速，Ta为大气温度，Tw为三角形单元表面温度。
步骤2.3：求三角形单元的综合温度
Figure BDA0001684209090000071
Figure BDA0001684209090000072
其中，Ta为大气温度，Tw为三角形单元表面温度，ρ为太阳辐射吸收系数，I为三角形单元表面太阳辐射强度，qs为外表面换热系数，单位为W/(m2·K4)，取19.0W/(m2·K4)，hc为三角形单元的表面对流换热系数，hr为三角形单元的辐射换热表面系数。
步骤3，将初始时刻下的阴影区域的每个三角形单元的表面温度，作为初始时刻和结束时刻之间的每个时刻下的该三角形单元的综合温度
Figure BDA0001684209090000073
因为阴影区域的每个三角形单元的表面温度保持不变，因此综合温度为初始时刻下的每个三角形单元的表面温度。
步骤4，将步骤2得到的每个时刻下的非阴影区域的每个三角形单元的综合温度
Figure BDA0001684209090000074
和三角形单元表面太阳辐射强度I，以及步骤3得到的每个时刻下的阴影区域的每个三角形单元的综合温度
Figure BDA0001684209090000075
均输入到天线结构有限元模型中，天线结构有限元模型输出每个时刻下的每个三角形单元的应力值和变形值。
实施例
本实施例选取500m口径球冠状天线结构(简称FAST)进行天文辐射效应分析，得到最不利工况日各时刻天线结构反射面的阴影分布图，由阴影分布图可知，随着太阳一天东升西落，从清晨5:30时刻逐步有光亮，然后光照部分逐渐增大，至中午达到最大，自午后太阳离开正上方后，阴影则再次以对称方式逐步出现，且光照部分开始递减，阴影部分增加，直到傍晚时分太阳落入地平线时反射面几乎完全呈现为阴影。
采用球面基准态模型进行全天的分析，并选取最不利工况——最热月晴天无云天气，该工况下天文辐射作用对天线结构热的影响最不利。依据FAST台址地质勘探报告中相关气候资料，计算时假定7月15日气温变化范围20℃～30℃，并服从正弦规律，大气混浊度因子取值1.8。该天各时刻天线结构最高温度及最大分布温差如图3～4所示，同时可以获得典型时刻天线结构温度场分布如图5-7，所示。可以看出一天当中，FAST结构中各部分温度均高于空气温度，圈梁部分的温度始终最高，且其最高温度在接近14:00时刻出现，为45℃。可以看出各部分最大温差分布基本上以正午12:00为对称时刻，呈现驼峰状。在典型时刻给出的反射面温度场分布当中，12:00时刻面板温度呈现高度对称分布，且以中心区域为最高(达40.27℃)，沿着半径方向逐渐向外温度降低，最外圈呈现最低(达38.05℃)。8:30时刻和15:30反射面温度场近似关于12:00对称分布。
对17个观测角度均进行上述操作，分别得到17个观测角度对应的基准温度下的变形值(RMS)和一天中日照下的最大变形值，见图8。可见日照下的反射面变形值最大可达到3.8mm，对应的出现在观测角(180°，26°)这个姿态。

Claims (2)

1.一种天线结构阴影区域划分方法，该方法用于将地形图中的天线结构反射面划分为阴影区域和非阴影区域，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将地形图中的天线结构反射面采用有限单元法划分为多个三角形单元；地形图中天线结构反射面以外的区域为周边地貌区域；
步骤2，将地形图沿日照光线方向采用等间隔的直线分割成多个条带；
步骤3，对每个条带，沿日照光线方向找到周边地貌区域的高程极值点J1，高程极值点J1指的是周边地貌区域中沿z向具有最大值的点；以高程极值点J1为起点，沿日照光线的传播路径在地形图中找到与日照光线相交的点J2，若点J2处于天线结构反射面中，则执行步骤4，若点J2处于周边地貌区域中，则天线结构反射面中的每个三角形单元均属于阴影区域；
步骤4，根据高程极值点J1和点J2确定天线结构反射面中的每个三角形单元属于阴影区域还是非阴影区域，采用的方法如下：
针对每个三角形单元，判断三角形单元的每个顶点的x向坐标是否均处于[xJ1,xJ2]中且y向坐标是否均处于[yJ1,yJ2]中,若是，则该三角形单元为阴影区域，否则，该三角形单元为非阴影区域，其中，xJ1,xJ2分别为高程极值点J1和点J2的x向坐标，yJ1,yJ2分别为高程极值点J1和点J2的y向坐标。
2.一种天线结构天文辐射效应分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，确定初始时刻和结束时刻，将初始时刻和结束时刻之间的每个时刻下的地形图中的天线结构反射面划分为阴影区域和非阴影区域，阴影区域和非阴影区域均包括多个三角形单元；
其中，将初始时刻和结束时刻之间的每个时刻下的地形图中的天线结构反射面划分为阴影区域和非阴影区域，为根据权利要求1所述的天线结构阴影区域划分方法进行划分；
步骤2，求每个时刻下的非阴影区域的每个三角形单元的综合温度
Figure FDA0001684209080000025
和三角形单元表面太阳辐射强度I，包括以下步骤：
步骤2.1：求辐射换热表面系数hr和三角形单元表面太阳辐射强度I，采用的计算方法如下：
利用ANSYS软件求解公式(1)，得到辐射换热表面系数hr和三角形单元表面太阳辐射强度I：
Figure FDA0001684209080000021
其中，ε为三角形单元表面辐射率，σ为斯蒂芬玻尔兹曼常数，Tsur为三角形单元环境表面温度，ρ为太阳辐射吸收系数；Ta为大气温度，Tw为三角形单元表面温度；I为三角形单元表面太阳辐射强度；
步骤2.2：求三角形单元的表面对流换热系数hc，采用公式(2)计算：
Figure FDA0001684209080000022
其中，表面对流换热系数hc的单位为W/(m2·K)，v为当地风速，Ta为大气温度，Tw为三角形单元表面温度；
步骤2.3：求三角形单元的综合温度
Figure FDA0001684209080000023
采用公式(3)计算：
Figure FDA0001684209080000024
其中，Ta为大气温度，Tw为三角形单元表面温度，ρ为太阳辐射吸收系数，I为三角形单元表面太阳辐射强度，qs为外表面换热系数，单位为W/(m2·K4)，hc为三角形单元的表面对流换热系数，hr为三角形单元的辐射换热表面系数；
步骤3，将初始时刻下的阴影区域的每个三角形单元的表面温度，作为初始时刻和结束时刻之间的每个时刻下的该三角形单元的综合温度
Figure FDA0001684209080000031
步骤4，将步骤2得到的每个时刻下的非阴影区域的每个三角形单元的综合温度
Figure FDA0001684209080000032
和三角形单元表面太阳辐射强度I，以及步骤3得到的每个时刻下的阴影区域的每个三角形单元的综合温度
Figure FDA0001684209080000033
均输入到天线结构有限元模型中，天线结构有限元模型输出每个时刻下的每个三角形单元的应力值和变形值。
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