CN112347669A - 一种大型天线背架温度测量与实时评估系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大型天线背架温度测量与实时评估系统及方法，涉及空间桁架结构温度测量技术领域，能够实现对大型天线背架日照非均匀温度场的实时评估，快速获取背架整体结构温度场，提高获取大型天线背架温度场的效率和评估精度；该方法基于背架少量温度测点数据，应用权重插值法计算背架非温度测点的温度值，再结合有限元热分析，将背架温度测点的测量数据以及非温度测点插值数据作为热分析边界条件，直接进行有限元稳态热分析，获得背架整体结构温度场。本发明提供的技术方案适用于大型天线背架温度测量和评估的过程中。

Description

一种大型天线背架温度测量与实时评估系统及方法

【技术领域】

本发明涉及空间桁架结构温度测量技术领域，尤其涉及一种大型天线背架温度测量与实时评估系统及方法。

【背景技术】

大型天线反射体主要由主反射面和背架组成，主反射面以背架为支撑，通过螺栓连接固定安装在背架上。主反射面由若干实体面板单元拼接而成，针对天线不同位姿以及日照环境，主反射面温度场会呈现不同规律的非均匀分布；背架主体为空间桁架结构，受太阳直接辐射、环境热对流、自身结构热传导、主反射面阴影遮挡以及主反射面与地面长波辐射等因素影响，其结构温度场分布更加复杂。

目前获取大型天线背架温度场的常用方法有两种：一种是通过大量的温度传感器直接对背架进行温度测量，该方法的优点是测量数据真实，具有实时性；缺点是需要布置大量温度传感器，成本较高，“一杆一测”更不现实。另一种是结合传热学理论与有限元方法进行计算，在一个热环境变化周期内，对不同时刻背架温度场分布情况进行关联分析，该方法的优点是没有繁杂的实验，简单经济，通过软件就能实现；缺点是计算量大，比较耗时，热边界复杂，理论计算时需进行简化，评估精度不高。

因此，有必要研究一种大型天线背架温度测量与实时评估系统及方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种大型天线背架温度测量与实时评估系统及方法，能够实现对大型天线背架日照非均匀温度场的实时评估，快速获取背架整体结构温度场，提高获取大型天线背架温度场的效率和评估精度。

一方面，本发明提供一种大型天线背架温度测量与实时评估方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：

S1、确定天线背架上温度测点的数量和位置；

S2、根据温度测点的数量和位置，在背架上安装温度传感器，实时采集各温度测点的温度值；

S3、根据采集的温度值，采用权重插值法计算背架非温度测点的温度值；

S4、将采集的温度值和计算出的温度值作为有限元分析边界条件，求解出背架整体结构的温度场数据以及温度梯度、温度分布云图。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1具体步骤包括：

S11、建立天线背架的有限元热分析模型；

S12、在模型背架的抛物面进行几何划分，以各几何图形的交点作为温度测点；

S13、根据温度测点密度对插值精度的影响以及背架各环梁的热敏度，对温度测点的数量和分布进行优化，得到最终的温度测点数量和位置。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S12的内容具体包括：将背架的抛物面划分为若干大小相等三角形曲面，以各三角形曲面的顶点作为温度测点。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，针对直径70米的天线，最终的温度测点数量为2*40个。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，针对直径70米的天线，温度测点位置优化的内容包括：将最内环和最外环的温度测点沿径向分别移动到次内环和次外环。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，针对直径70米、且具有14个上弦环梁以及10个下弦环梁的天线背架，最终温度测点的分布以及数量为：上弦环梁第二环、第四环、第八环、第十三环以及下弦环梁第二环、第四环、第六环、第九环设有温度测点，且上弦环梁温度测点的数量依次为4个、8个、12个、16个，下弦环梁温度测点的数量依次为4个、8个、12个、16个。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S3的具体内容包括：背架次内环至次外环的非温度测点采用3点权重插值法进行计算，背架最内环至次内环和最外环至次外环的非温度测点采用2点权重插值法进行计算。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，3点权重插值法具体为：点A、B、C为背架上某3个相邻温度测点，其温度值分别记为T_a、T_b、T_c；点P为ABC曲面内的1个非温度测点；点P沿抛物面到点A、B、C之间的最短曲线弧长分别记为1/s_a、1/s_b、1/s_c，将各曲线的弧长倒数s_a、s_b、s_c作为P点在A、B、C各点的温度插值权重，根据3点权重插值公式求出背架非温度测点P的温度值T_b；3点权重插值公式为：

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，2点权重插值法具体为：点A、B为背架上的2个相邻温度测点，其温度值分别记为T_a、T_b；点P为背架上的非温度测点；点P沿抛物面到点A、B之间的最短曲线弧长分别记为1/s_a、1/s_b，将各曲线的弧长倒数s_a、s_b作为P点在A、B两点的温度插值权重，根据2点权重插值公式求出背架非温度测点P的温度值T_P；2点权重插值公式为：

另一方面，本发明提供一种大型天线背架温度测量与实时评估系统，其特征在于，所述系统包括：

温度测点优化模块，对天线背架进行建模并对抛物面进行几何划分，根据温度测点密度对插值精度的影响以及背架各环梁的热敏度，对温度测点的数量和分布进行优化，得到最终的温度测点数量和位置；

温度测量与插值模块，用于采集实际天线背架温度测点的实时温度，并根据采集的实时温度，采用权重插值法计算背架非温度测点的温度值；

有限元计算模块，用于进行有限元热分析，求解出背架整体结构的温度场数据以及温度梯度、温度分布云图。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：本发明将实验测量与有限元方法结合，基于背架少量温度测点数据，应用权重插值计算背架非温度测点的温度值，再结合有限元分析，将背架温度测点测量数据以及非温度测点插值数据作为热分析边界条件，直接进行有限元稳态热分析，快速获取背架整体结构温度场，以提高获取大型天线背架温度场的效率和评估精度。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的某70米天线主反射体和背架结构示意图；其中，图1(a)为天线主反射体结构示意图，图1(b)为背架上下弦环梁的结构图并附有背架环梁的环号标注；

图2是本发明一个实施例提供的大型天线背架温度测量与实时评估系统的框图；

图3是本发明一个实施例提供的背架温度测点分布图；

图4是本发明一个实施例提供的权重插值示意图；其中，图4(a)为3点插值，图4(b)为2点插值；

图5是本发明一个实施例提供的大型天线背架温度测量与实时评估的流程图；

图6是本发明一个实施例提供的70米天线背架有限元热分析模型图；

图7是本发明一个实施例提供的背架三角曲面划分情况；

图8是本发明一个实施例提供的背架非均匀温度场分布云图；其中，图8(a)为传热学理论结合有限元分析，图8(b)为权重插值结合有限元分析；

图9是本发明一个实施例提供的不同温度测点方案对应背架温度场评估误差趋势图。

其中，图中：

a-主反射面；b-背架。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

针对现有技术的不足，本发明将实验测量与有限元方法进行结合，基于背架少量温度测点数据，应用权重插值计算背架非温度测点的温度值，再结合有限元分析软件，将背架温度测点测量数据以及非温度测点插值数据作为热分析边界条件，直接进行有限元稳态热分析，快速获取背架整体结构温度场，以提高获取大型天线背架温度场的效率和评估精度。

本发明以一座口径为70米的天线为介绍对象来对本发明的主体思想进行说明。图1为某70米天线主反射体结构示意图以及背架环梁的环号标注，主反射体包括主反射面和背架两部分。主反射面由1328块实体面板单元拼接而成，面形为抛物面；背架为空间桁架结构，由1个中心体、32品辐射梁、若干环梁和交叉梁组成，其中背架上弦环梁共14环，下弦环梁共10环。

图2为本发明的系统框图，本系统主要包括温度测点优化模块、温度测量与插值模块、有限元计算模块，通过上述三个模块可实现对大型天线背架日照非均匀温度场的实时评估。

1)温度测点优化模块：用于根据天线背架的结构确定温度测点的分布位置并采集温度测点处的温度。

将70米天线背架沿主反射面划分为若干个近似等三角曲面，以各曲面交点为背架温度测点，基于温度测点数值，应用权重插值计算背架非温度测点数值。温度测点密度严重影响背架非温度测点的插值精度，本发明通过比较不同温度测点数对应插值精度，最终确定天线背架温度测点总数为2*40个(2*40表示上弦面40个温度测点，对应竖直下弦位置也为40个，从俯视图看，上下弦测点是重合的)。具体分布是以背架上弦环梁第二环、第四环、第八环、第十三以及下弦环梁第二环、第四环、第六环、第九环作为温度测点的径向坐标(从图1(b)可以看出，下弦环梁的第二环、第四环、第六环、第九环与前述的上弦环梁的第二环、第四环、第八环、第十三环是一一对应关系)，环向坐标则根据各环测点均匀分布情况确定，背架各环温度测点数分别为上弦4个、8个、12个、16个，下弦4个、8个、12个、16个，如图3所示。各环测点数的确定方法是：在背架热敏感区域，使温度测点尽可能均匀分布，密度大小决定插值精度，但要考虑性价比，密度增加到一定程度，其对精度提升作用并不明显，而减小到一定程度，精度会大大降低，图7是提出的多种方案，图9是各种方案对应精度对比，根据该结果进行适当取舍。不同口径天线随环数增减，测点数也会相应增减，其它尺寸天线的温度测点数确定可以按照本发明介绍的分析方法来相应确定。

2)温度测量与插值模块：用于根据温度测点处的温度以及权重计算非测点处的温度。

在背架对应温度测点处布置温度传感器，通过温度测试仪记录背架各测点在不同时刻的温度值；基于各测点温度值，对背架次内环至次外环的非温度测点进行3点权重插值，对背架最内环至次内环和最外环至次外环的非温度测点进行2点权重插值。具体插值方法如下：

a)3点权重插值

点A、B、C为背架上某3个相邻温度测点，其温度值分别为T_a、T_b、T_c，点P为ABC曲面内的1个非温度测点；如图4(a)所示，点P沿抛物面到点A、B、C之间的最短曲线弧长分别为1/s_a、1/s_b、1/s_c，将各曲线的弧长倒数s_a、s_b、s_c作为P点在A、B、C各点的温度插值权重，根据(1)式可求出背架非温度测点P的温度值T_b。

b)2点权重插值

点A、B为背架第2环上的某2个相邻温度测点，其温度值分别为T_a、T_b，点P为对应的第1环上的非温度测点；如图4(b)所示，点P沿抛物面到点A、B之间的最短曲线弧长分别为1/s_a、1/s_b，将各曲线的弧长倒数s_a、s_b作为P点在A、B两点的温度插值权重，根据(2)式可求出背架非温度测点P的温度值T_P。

3)有限元计算模块：用于根据有限元理论对天线背架建模，并对前面的实际测试温度和插值温度作为有限元热分析的边界条件对模型进行热分析，得到所有节点温度、结构温度梯度以及云图显示背架整体结构温度场分布。

基于有限元理论，首先应用大型有限元软件ANSYS前处理模块建立70米天线背架的有限元热分析模型，将背架空间桁架结构分解为7360个杆单元，节点总数为2080个，各杆单元之间通过公共节点连接。然后以背架温度测点温度值以及非温度测点的温度插值作为有限元热分析的边界条件，通过ANSYS求解模块对70米天线背架进行热分析求解。最后通过ANSYS后处理模块读取所有节点温度、结构温度梯度以及云图显示背架整体结构温度场分布。

图5为本发明的具体实施流程，包括以下详细步骤：

步骤1、建立70米天线背架有限元热分析模型；

应用大型有限元软件ANSYS建立70米天线背架有限元热分析模型，将背架空间桁架结构分解为7360个杆单元，节点总数为2080个，各杆单元之间通过公共节点连接，如图6所示。

步骤2、背架沿抛物面做近似等三角曲面划分，以曲面交点作为温度测点；

将70米天线背架沿主反射面划分为若干个大小近似相等的三角曲面，本发明分别以2*12、2*24、2*40、2*60、2*84等5组数据作为曲面划分的交点，得到图7(a)、(b)、(c)、(e)、(f)5种曲面划分方案。以各三角曲面顶点作为背架的温度测点，基于温度测点数值，通过权重插值可以计算背架非温度测点温度值。

步骤3、分析温度测点密度对温度插值精度的影响，确定温度测点数量和位置；

背架温度测点密度严重影响非温度测点的插值精度，本发明分别对2*12、2*24、2*40、2*60、2*84等5组不同温度测点方案对应插值精度进行评估。首先在背架有限元热分析模型中，提取背架温度测点对应节点在某一特定非均匀温度场内的温度值，将其作为背架温度测点的温度值；然后应用权重插值公式计算背架非温度测点的温度值；接下来进行步骤7的操作，重新获取背架温度场数据；最后比较背架所有节点在前后两个非均匀温度场内的温度数据，得到不同温度测点方案对应温度插值平均绝对误差。结果表明：温度测点密度过小会导致插值误差急剧增加，密度过大对插值精度的提升作用不大，本发明最终选择温度测点数为2*40个。

步骤4、对温度测点的位置分布进行优化，得到最终的位置分布数据；

通过分析背架各环梁的热敏度，明确背架沿径向从次内环至次外环区间结构热敏度较高，且以背架上、下弦有直接连接的各环梁热敏度最高。基于此，对图7(c)背架温度测点数为2*40的测点分布方案做进一步改进，将图7(c)最内环与最外环测点沿径向分别移到次内环与次外环，如图7(d)所示。

步骤5、安装温度传感器，读取并记录各温度测点的温度数值；

在背架各温度测点处安装温度传感器，各传感器通过电缆连接到温度测试仪上，温度测试仪根据指定时间间隔对温度传感器进行采样并记录温度数据。

步骤6、利用权重插值计算背架非温度测点的温度数值；

根据温度测试仪记录的测点温度值，应用2点/3点权重插值公式计算背架非温度测点数据。

步骤7、有限元热分析边界条件设置、求解及后处理；

将温度测量以及权重插值结果作为有限元热分析边界条件，通过有限元求解以及后处理，得到背架整体结构温度、温度梯度以及温度分布云图等结果。

本发明通过对大型天线背架温度测点数量的合理选择以及对温度测点位置的优化布置，提出在大型天线背架结构上安装少量温度传感器以及温度测试仪等硬件设备，就可以对大型天线背架整体结构温度场进行实时评估的方法。

为验证上述大型天线背架温度测量与实时评估系统的可行性，本发明以2020年9月22日(秋分日)上午10点为时间参数，通过传热学理论结合有限元分析的方法，得到某70米天线(坐标：北纬39.5，东经117.1)背架在仰天工况(方位指向正北，俯仰角90°)下的日照非均匀温度场，该温度场最大温差为8.7℃；以该温度场数据作为标准，提取图7(f)所示背架温度测点对应节点温度值，将其作为背架温度测点值，继续步骤6和步骤7的操作，得到基于权重插值+有限元分析的背架非均匀温度场。

比较背架前后两个温度场的分布云图(图8)，发现二者具有一致性；通过计算两个温度场中背架所有节点对应的温度绝对差值，得到图9所示的分析结果。结果表明：本发明所公开的大型天线背架温度测量与实时评估系统所需温度传感器为2*40(B)个，数量适中；温度评估精度相对较高，平均节点温度误差小于0.33，误差大于1℃的节点数小于100；性价比较好，其性能优于同等温度测点数的2*40(A)方案，仅次于温度测点数为2*60和2*84两种方案。

本发明的优点在于：

(1)对温度测点分布进行优化分析，通过布置适量温度传感器就能满足系统设计要求，具有可行性；

(2)基于实验测量，将背架温度测点测量数据以及非温度测点插值数据作为有限元热分析边界条件，避免纯理论分析引入的主观因素，提高计算精度；

(3)减小了有限元算法对瞬态边界条件的大量计算，将动态分析转化为静态分析，提高计算效率；

(4)利用几何划分的方式确定温度测量点，并采用权重插值法进行非测量点的温度计算，能够使实际测量和理论计算达到很好的优化结合，相较于传统的基于传热学理论与有限元方法进行计算的方式能够极大的减少计算量，提高计算速度，具有实时评估的效果。

以上对本申请实施例所提供的一种大型天线背架温度测量与实时评估系统及方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大型天线背架温度测量与实时评估方法，其特征在于，所述方法的步骤包括：

S1、确定天线背架上温度测点的数量和位置；

S2、根据温度测点的数量和位置，在背架上安装温度传感器，实时采集各温度测点的温度值；

S3、根据采集的温度值，采用权重插值法计算背架非温度测点的温度值；

S4、将采集的温度值和计算出的温度值作为有限元分析边界条件，求解出背架整体结构的温度场数据。

2.根据权利要求1所述的大型天线背架温度测量与实时评估方法，其特征在于，步骤S1具体步骤包括：

S11、建立天线背架的有限元热分析模型；

S12、在模型背架的抛物面进行几何划分，以各几何图形的交点作为温度测点；

S13、根据温度测点密度对插值精度的影响以及背架各环梁的热敏度，对温度测点的数量和分布进行优化，得到最终的温度测点数量和位置。

3.根据权利要求2所述的大型天线背架温度测量与实时评估方法，其特征在于，步骤S12的内容具体包括：将背架的抛物面划分为若干大小相等三角形曲面，以各三角形曲面的顶点作为温度测点。

4.根据权利要求2所述的大型天线背架温度测量与实时评估方法，其特征在于，针对直径70米的天线，最终的温度测点数量为2*40个。

5.根据权利要求4所述的大型天线背架温度测量与实时评估方法，其特征在于，针对直径70米的天线，温度测点位置优化的内容包括：将最内环和最外环的温度测点沿径向分别移动到次内环和次外环。

6.根据权利要求5所述的大型天线背架温度测量与实时评估方法，其特征在于，针对直径70米、且具有14个上弦环梁以及10个下弦环梁的天线背架，最终温度测点的分布以及数量为：上弦环梁第二环、第四环、第八环、第十三环以及下弦环梁第二环、第四环、第六环、第九环设有温度测点，且上弦环梁温度测点的数量依次为4个、8个、12个、16个，下弦环梁温度测点的数量依次为4个、8个、12个、16个。

7.根据权利要求1所述的大型天线背架温度测量与实时评估方法，其特征在于，步骤S3的具体内容包括：背架次内环至次外环的非温度测点采用3点权重插值法进行计算，背架最内环至次内环和最外环至次外环的非温度测点采用2点权重插值法进行计算。

8.根据权利要求7所述的大型天线背架温度测量与实时评估方法，其特征在于，3点权重插值法具体为：点A、B、C为背架上某3个相邻温度测点，其温度值分别记为T_a、T_b、T_c；点P为ABC曲面内的1个非温度测点；点P沿抛物面到点A、B、C之间的最短曲线弧长分别记为1/s_a、1/s_b、1/s_c，将各曲线的弧长倒数s_a、s_b、s_c作为P点在A、B、C各点的温度插值权重，根据3点权重插值公式求出背架非温度测点P的温度值T_b；3点权重插值公式为：

9.根据权利要求7所述的大型天线背架温度测量与实时评估方法，其特征在于，2点权重插值法具体为：点A、B为背架上的2个相邻温度测点，其温度值分别记为T_a、T_b；点P为背架上的非温度测点；点P沿抛物面到点A、B之间的最短曲线弧长分别记为1/s_a、1/s_b，将各曲线的弧长倒数s_a、s_b作为P点在A、B两点的温度插值权重，根据2点权重插值公式求出背架非温度测点P的温度值T_P；2点权重插值公式为：

10.一种大型天线背架温度测量与实时评估系统，其特征在于，所述系统包括：

温度测点优化模块，对天线背架进行建模并对抛物面进行几何划分，根据温度测点密度对插值精度的影响以及背架各环梁的热敏度，对温度测点的数量和分布进行优化，得到最终的温度测点数量和位置；

温度测量与插值模块，用于采集实际天线背架温度测点的实时温度，并根据采集的实时温度，采用权重插值法计算背架非温度测点的温度值；

有限元计算模块，用于进行有限元热分析，求解出背架整体结构的温度场数据。

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