CN109540487A - 一种基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法，该方法采用目前最先进的数字双胞胎技术，将望远镜反射面结构的实际运行状态，实时映射到数字模型上，形成数字双胞胎。然后，通过有限元分析及对结果数据的统计，得到各根索截止当前时刻的实际应力谱。最后，根据试验获得的索的S‑N曲线，采用目前国际上通用的Miner线性累计损伤定律，得到各根索截止当前时刻的疲劳损伤度，并据此给出相应的预警信息，帮助望远镜运营方及时制定维修计划，提前采购相应类型的钢索，并对相应索提前进行更换。该方法可有效避免望远镜索网结构脆性疲劳破坏的风险，大大降低索网维修的时间成本，提高望远镜的有效观测时间，具有很大的效益。

Description

一种基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测 方法

技术领域

本发明涉及望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法领域，尤其是涉及一种基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法。

背景技术

数字双胞胎技术是一种将特定产品的数字信息与产品运行中实时获得的操作数据流相结合，以及将基于物理的理解与分析相结合，以获得深入的产品洞察力的一种新兴技术。仿真软件、硬件和处理速度的改善，以及物联网(LOT)的兴起，使该技术的应用成为可能。

500m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter aperture spherical radiotelescope,FAST)是世界上最大的单口径射电望远镜。该望远镜反射面采取主动变位的独特工作方式,可根据观测天体的角度，在500m口径反射面的不同区域，形成直径为300m的抛物面。该望远镜的工作频率在70MHz～3GHz之间。

为了实现反射面的主动变位特性，FAST采用柔性索网作为主要支承结构。索网结构共包括6670根主索和2225个下拉索，索网周边固定在圈梁上。FAST的圈梁为直径约500m的11m×5.5m环形桁架，重量约5350吨。圈梁支撑格构柱共50个，高度在6m-50m不等的格构柱上。索网的每个主索节点设置单根下拉索，通过促动器拖动下拉索来控制索网变位，从而在500m口径范围内的不同区域形成300m口径的抛物面。FAST望远镜索网结构中,面索总共有16种规格,截面积在280mm²-1319mm²；下拉索有2种规格，截面积均为140mm²。

FAST反射面结构的2225个促动器上均布置了磁致伸缩传感器，测量精度可达到10微米，传感器按1HZ的频率采集数据并实时上传到总控数据库中。

FAST望远镜对天体进行跟踪观测时，需要根据天体的运动轨迹，在FAST反射面500m口径范围内的不同位置，形成一系列连续的300m抛物面，这导致FAST索网结构中的面索及下拉索长期在循环变化的载荷作用下工作，疲劳破坏是其最主要的破坏形式。

FAST在设计阶段根据望远镜的科学目标，参照世界上同类型望远镜(GBT、新疆25m射电望远镜等)每年的运行时间，通过估算得到FAST在30年的设计寿命内，总共观测次数大概228715次。并采用仿真计算的方法统计了各根索4个月的应力-时间历程，基于随机分配观测模式的原则，获得30年的设计寿命内的应力谱，进而确定了面索需满足500MPa应力幅下，200万次疲劳加载不发生疲劳破坏的设计指标。这一指标是现行相关规范值得2.5倍。为此，FAST工程团队专门研制了应用于FAST的高疲劳性能钢索。

FAST索网结构的钢索长期承受高达500MPa的疲劳应力幅，是望远镜的关键易损部位，在设计阶段做了充分的调研和分析计算，而且专门研制了高疲劳性能的钢索。但是，设计阶段进行疲劳计算时采用的各个钢索的应力谱毕竟是理论推算出来的，而且运行过程中的观测模式也必然不是按科学目标随机的分配，这很有可能导致部分区域的索网承受的应力循环次数比预估值多，部分区域的应力循环次数比预估值少。而且，设计阶段无法预估运行过程中的促动器故障情况，而促动器故障也会导致临近的索网的应力状态发生变化。另外，设计阶段也无法预测出今后FAST的升级改造情况，这些因素都将导致实际发生的应力谱和设计阶段预估的应力谱有出入，使FAST可能存在发生疲劳破坏的风险。

如果索网发生脆性的疲劳破坏，轻则导致临近反射面单元、促动器的破坏，重则可能会导致索网的连锁性破坏，甚至引起人员伤亡。索网局部损坏还会导致相关区域的天文观测效率低下，影响天文观测。另外，由于无法预知8895根钢索哪一根会发生破坏，所以无法提前备料，而FAST使用的是特制钢索，一种索的生产周期可能长达数月，没有一个有效的索网疲劳寿命监测手段，不能提前制定维修计划，必然会导致维修时间大大增加，这必然会严重影响到FAST望远镜的有效观测时间。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法，所述方法包括如下步骤：

1)在望远镜运行过程中，通过布置在2225个促动器上的磁致伸缩传感器采集所述促动器的实时行程，通过反射面控制系统获得当前时刻故障促动器的编号以及当前环境温度数据，实时输入到FAST望远镜反射面结构整体有限元模型中；

2)通过有限元计算，输出FAST望远镜反射面索网结构中面索和下拉索的应力，将各根索的应力，按照时间顺序存入数据库；

3)选择望远镜空闲时间，将FAST索网张拉到基本球面状态，采用现场的测控系统，测量反射面结构中圈梁耳板销孔位置、下拉索两端节点位置以及边缘面索索力信息；

4)通过耳板销孔位置、下拉索两端节点位置数据以及边缘索索力的测量数据，修正FAST望远镜反射面整体有限元模型，将修正后的望远镜反射面作为新的数字模型使用；

5)采用雨流法统计各根索截止当前时刻的应力-时间历程，形成各根索截止当前时刻的应力谱；

6)通过试验获取索网结构面索及下拉索的S-N曲线；

7)采用Miner线性累计损伤定律，计算得到各根索的疲劳损伤度；

8)根据计算结果给出预警信息，分别列出计算疲劳损伤度大于70％和大于80％的索的编号。

作为一种进一步的技术方案，步骤1)中读取所述磁致伸缩传感器的数据并输入所述FAST望远镜反射面结构整体有限元模型的频率为0.01HZ。

作为一种进一步的技术方案，步骤1)中所述FAST望远镜反射面结构整体有限元模型采用ANSYS有限元软件，模型包括圈梁、圈梁支撑格构柱、面索以及下拉索；其中，所述圈梁、圈梁支撑格构柱采用BEAM44单元模拟，所述面索及下拉索采用LINK10单元模拟。

作为一种进一步的技术方案，步骤2)中采用ANSYS有限元软件进行有限元计算，并将计算得到的FAST望远镜的8875根面索和下拉索的编号和应力，按照时间顺序，依次存入数据库中。

作为一种进一步的技术方案，步骤3)选择FAST望远镜的空闲时间，利用FAST的测量系统，每三个月测量一次反射面结构中圈梁耳板销孔位置、下拉索两端节点位置信息；同时，通过磁通量传感器采集系统采集150根边缘面索的索力信息。

作为一种进一步的技术方案，步骤4)中FAST望远镜反射面整体有限元模型的修正方法是：依据位置测量信息修改数字模型中相应节点的位置后，对索网结构进行球面找形。然后，根据边缘150根面索索力的测量值与找形后模型的有限元计算值之差，修改边缘索的初应变。再次对索网结构进行的球面找形，并对比边缘索索力有限元计算值与实测值的误差，修改边缘索的初应变。如此反复迭代，直到边缘索索力的有限元计算值与实测值误差满足要求，最终完成FAST望远镜反射面整体有限元模型的修正。

作为一种进一步的技术方案，步骤5)中选择在望远镜空闲时间，通过雨流法每个月统计一次存储在数据库内的所有数据，得到各根索截止当前时刻的应力-时间历程，形成各根索截止当前时刻的应力谱；同时将数据库中满足计数条件，已计入应力谱的点删除。

作为一种进一步的技术方案，步骤7)中采用Miner线性累计损伤定律，计算得到各根索的疲劳损伤度；其具体方法如下：

假设某根索在某应力幅水平Δδ_i作用n_i次循环，由S-N曲线计算得Δδ_i对应得疲劳寿命为N_i，则Δδ_i应力幅所占损伤度为n_i/N_i，对统计应力谱内所有应力幅均做类似的损伤计算，则得：

则F即为该索截止目前的累计疲劳损伤度，F＝1时，即认为该根索发生疲劳破坏。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明通过现场传感器实时的反馈数据，以及对望远镜反射面结构的实际测量数据，将数字模型与望远镜反射面结构的实际运行状态实时对应起来，构建出虚拟与实际的数字双胞胎模型。通过对数字模型的实时有限元分析，提取出反射面结构各根索的实时受力状态，按时间顺序存入数据库。然后，统计得出各根索的应力谱，按目前国际上通用的Miner线性累计损伤定律进行疲劳分析，获得各根索的疲劳损伤度。这样就可以给出预警信息，帮助望远镜运营方及时制定维修计划，提前采购相应类型的钢索，并对相应索提前进行更换。该方法可有效避免望远镜索网结构脆性疲劳破坏的风险，大大降低索网维修的时间成本，提高望远镜的有效观测时间，具有很大的效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

结合图1所示，本实施例提供一种基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法，所述方法包括如下步骤：

1)在望远镜运行过程中，通过布置在2225个促动器上的磁致伸缩传感器采集所述促动器的实时行程，通过反射面控制系统获得当前时刻故障促动器的编号以及当前环境温度数据，实时输入到FAST望远镜反射面结构整体有限元模型中；

2)通过有限元计算，输出FAST望远镜反射面索网结构中面索和下拉索的应力，将各根索的应力，按照时间顺序存入数据库；

3)选择望远镜空闲时间，将FAST索网张拉到基本球面状态，采用现场的测控系统，测量反射面结构中圈梁耳板销孔位置、下拉索两端节点位置以及边缘面索索力信息；

4)通过耳板销孔位置、下拉索两端节点位置数据以及边缘索索力的测量数据，修正FAST望远镜反射面整体有限元模型，将修正后的望远镜反射面作为新的数字模型使用；

5)采用雨流法统计各根索截止当前时刻的应力-时间历程，形成各根索截止当前时刻的应力谱；

6)通过试验获取索网结构面索及下拉索的S-N曲线；

7)采用Miner线性累计损伤定律，计算得到各根索的疲劳损伤度；

8)根据计算结果给出预警信息，分别列出计算疲劳损伤度大于70％和大于80％的索的编号。对于计算损伤度大于70％的索，提醒望远镜运营方及时制定维修计划，采购相应类型的钢索；对于计算损伤度大于80％的索，提醒望远镜运营方及时进行更换。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤1)中读取所述磁致伸缩传感器的数据并输入所述FAST望远镜反射面结构整体有限元模型的频率为0.01HZ。本方法通过MATLAB软件的OPC接口，从总控数据库中按0.01HZ的频率读取促动器行程的实时数据，输入到数字模型中，进行有限元分析。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤1)中所述FAST望远镜反射面结构整体有限元模型采用ANSYS有限元软件，模型包括圈梁、圈梁支撑格构柱、面索以及下拉索；其中，所述圈梁、圈梁支撑格构柱采用BEAM44单元模拟，所述面索及下拉索采用LINK10单元模拟。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤2)中采用ANSYS有限元软件进行有限元计算，并将计算得到的FAST望远镜的8875根面索和下拉索的编号和应力，按照时间顺序，依次存入数据库中。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤3)选择FAST望远镜的空闲时间，利用FAST的测量系统，每三个月测量一次反射面结构中圈梁耳板销孔位置、下拉索两端节点位置信息；同时，通过磁通量传感器采集系统采集150根边缘面索的索力信息。FAST的结构形式是索网结构周边连接在圈梁上，而500m直径的圈梁通过滑移支座支撑在圈梁格构柱上。由于圈梁尺度巨大，因此圈梁在不同的温度下可能会有一定的温度变形，导致圈梁直径的增加或者减小，进而对连接在其周圈上的索网应力产生影响。另外，考虑到FAST的建设地址-贵州平塘地处我国西南方，一个季度内的温差并不太大，因此本方法选择每个季度(三个月)测量一次相关数据，修正一次数字模型是合适的。而且，根据望远镜的结构形式及运行模式，圈梁在滑移支座上即使有微小的滑移，也是缓慢的，三个月的时间内不可能发生影响索网结构应力的明显的滑移。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤4)中FAST望远镜反射面整体有限元模型的修正方法是：依据位置测量信息修改数字模型中相应节点的位置后，对索网结构进行球面找形。然后，根据边缘150根面索索力的测量值与找形后模型的有限元计算值之差，修改边缘索的初应变。再次对索网结构进行的球面找形，并对比边缘索索力有限元计算值与实测值的误差，修改边缘索的初应变。如此反复迭代，直到边缘索索力的有限元计算值与实测值误差满足要求，最终完成FAST望远镜反射面整体有限元模型的修正。步骤4)中模型修正主要考虑修正圈梁耳板销孔位置及下拉索两端节点位置，这主要是因为圈梁的温度变形或者支座滑移，均是体现在圈梁耳板销孔位置以及下拉索上节点位置上。另外，由于FAST建设地是喀斯特地貌，其地质特点决定了地下溶洞和裂隙较多，这导致个别下拉索基础连接可能不牢固，出现个别被拉出的问题，重新施工的下拉索基础可能与原先的基础位置有偏差，导致模型中下拉索下端节点位置有变化，需要修正。除非发生不可预估的事故，FAST反射面结构的其他部位，不会发生影响到索网应力分布的变化。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤5)中选择在望远镜空闲时间，通过雨流法每个月统计一次存储在数据库内的所有数据，得到各根索截止当前时刻的应力-时间历程，形成各根索截止当前时刻的应力谱；同时将数据库中满足计数条件，已计入应力谱的点删除。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤7)中采用Miner线性累计损伤定律，计算得到各根索的疲劳损伤度；其具体方法如下：

假设某根索在某应力幅水平Δδ_i作用n_i次循环，由S-N曲线计算得Δδ_i对应得疲劳寿命为N_i，则Δδ_i应力幅所占损伤度为n_i/N_i，对统计应力谱内所有应力幅均做类似的损伤计算，则得：

则F即为该索截止目前的累计疲劳损伤度。从工程应用的角度，可认为当F＝1时，计算部位发生疲劳破坏。

Miner线性累计损伤定律是目前国际上通用的疲劳计算准则，广泛应用于工程设计中，我国2017年12月发布的最新版《钢结构设计标准》(GB50017-2017)中，其关于疲劳计算及防脆断设计，也是按Miner线性累计损伤定律进行编制。因此，本方法采用该定律进行疲劳评估，是有充分的工程实践基础的。

本发明步骤8)中所述的分别按计算疲劳损伤度大于70％和大于80％给出相应的预警信息。主要是考虑到FAST工程是国家重大科学工程，非常重要。如果发生无预警的脆性疲劳破坏，会造成较大的损失。而且，FAST采用的钢索都是特别研制的，生产周期长，如果发生无预警的破坏，维修时间很长，严重影响FAST的有效观测时间。因此，选择按70％和80％给出预警信息。其他类似工程可以根据需要进行适当的修改。

综上，本发明采用目前最先进的数字双胞胎技术，将望远镜反射面结构的实际运行状态，实时映射到数字模型上，形成数字双胞胎。然后，通过有限元分析及对结果数据的统计，得到各根索截止当前时刻的实际应力谱。最后，根据试验获得的索的S-N曲线，采用目前国际上通用的Miner线性累计损伤定律，得到各根索截止当前时刻的疲劳损伤度，并据此给出相应的预警信息，帮助望远镜运营方及时制定维修计划，提前采购相应类型的钢索，并对相应索提前进行更换。该方法可有效避免望远镜索网结构脆性疲劳破坏的风险，大大降低索网维修的时间成本，提高望远镜的有效观测时间，具有很大的效益。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)在望远镜运行过程中，通过布置在2225个促动器上的磁致伸缩传感器采集所述促动器的实时行程，通过反射面控制系统获得当前时刻故障促动器的编号以及当前环境温度数据，实时输入到FAST望远镜反射面结构整体有限元模型中；

2)通过有限元计算，输出FAST望远镜反射面索网结构中面索和下拉索的应力，将各根索的应力，按照时间顺序存入数据库；

3)选择望远镜空闲时间，将FAST索网张拉到基本球面状态，采用现场的测控系统，测量反射面结构中圈梁耳板销孔位置、下拉索两端节点位置以及边缘面索索力信息；

4)通过耳板销孔位置、下拉索两端节点位置数据以及边缘索索力的测量数据，修正FAST望远镜反射面整体有限元模型，将修正后的望远镜反射面作为新的数字模型使用；

5)采用雨流法统计各根索截止当前时刻的应力-时间历程，形成各根索截止当前时刻的应力谱；

6)通过试验获取索网结构面索及下拉索的S-N曲线；

7)采用Miner线性累计损伤定律，计算得到各根索的疲劳损伤度；

8)根据计算结果给出预警信息，分别列出计算疲劳损伤度大于70％和大于80％的索的编号。

2.根据权利要求1所述的基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法，其特征在于，步骤1)中读取所述磁致伸缩传感器的数据并输入所述FAST望远镜反射面结构整体有限元模型的频率为0.01HZ。

3.根据权利要求1所述的基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法，其特征在于，步骤1)中所述FAST望远镜反射面结构整体有限元模型采用ANSYS有限元软件，模型包括圈梁、圈梁支撑格构柱、面索以及下拉索；其中，所述圈梁、圈梁支撑格构柱采用BEAM44单元模拟，所述面索及下拉索采用LINK10单元模拟。

4.根据权利要求1所述的基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法，其特征在于，步骤2)中采用ANSYS有限元软件进行有限元计算，并将计算得到的FAST望远镜的8875根面索和下拉索的编号和应力，按照时间顺序，依次存入数据库中。

5.根据权利要求1所述的基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法，其特征在于，步骤3)选择FAST望远镜的空闲时间，利用FAST的测量系统，每三个月测量一次反射面结构中圈梁耳板销孔位置、下拉索两端节点位置信息；同时，通过磁通量传感器采集系统采集150根边缘面索的索力信息。

6.根据权利要求1所述的基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法，其特征在于，步骤4)中FAST望远镜反射面整体有限元模型的修正方法是：依据位置测量信息修改数字模型中相应节点的位置后，对索网结构进行球面找形；然后，根据边缘150根面索索力的测量值与找形后模型的有限元计算值之差，修改边缘索的初应变；再次对索网结构进行的球面找形，并对比边缘索索力有限元计算值与实测值的误差，修改边缘索的初应变；如此反复迭代，直到边缘索索力的有限元计算值与实测值误差满足要求，最终完成FAST望远镜反射面整体有限元模型的修正。

7.根据权利要求1所述的基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法，其特征在于，步骤5)中选择在望远镜空闲时间，通过雨流法每个月统计一次存储在数据库内的所有数据，得到各根索截止当前时刻的应力-时间历程，形成各根索截止当前时刻的应力谱；同时将数据库中满足计数条件，已计入应力谱的点删除。

8.根据权利要求1所述的基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法，其特征在于，步骤7)中采用Miner线性累计损伤定律，计算得到各根索的疲劳损伤度；其具体方法如下：

假设某根索在某应力幅水平Δδ_i作用n_i次循环，由S-N曲线计算得Δδ_i对应得疲劳寿命为N_i，则Δδ_i应力幅所占损伤度为n_i/N_i，对统计应力谱内所有应力幅均做类似的损伤计算，则得：

则F即为该索截止目前的累计疲劳损伤度，F＝1时，即认为该根索发生疲劳破坏。