一種望遠(yuǎn)鏡反射面力學(xué)模型修正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種望遠(yuǎn)鏡反射面力學(xué)模型修正方法。
【背景技術(shù)】
[0002]中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)建造的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meterAperture Spherical rad1 Telescope，簡(jiǎn)稱FAST)，是世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，其突破了地面望遠(yuǎn)鏡的百米工程極限，開創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式。FAST的總體技術(shù)指標(biāo):口徑為500m，反射面曲率半徑為300m ;照明區(qū)口徑為300m，焦比f/D =0.467。
[0003]FAST主動(dòng)反射面是由圈梁、反射面、索網(wǎng)、促動(dòng)器、地錨等組成。索網(wǎng)安裝在圈梁上，有2225個(gè)節(jié)點(diǎn)，在索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上安裝有約4450個(gè)反射面單元形成反射面，每個(gè)節(jié)點(diǎn)下方連有下拉索和促動(dòng)器，促動(dòng)器再與地錨連接。通過控制促動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)300米口徑瞬時(shí)拋物面進(jìn)行天文觀測(cè)。
[0004]反射面單元分為三角形和四邊形兩大類，其中三角形反射面單元為空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)約為10.4?12.4米，是由背架、調(diào)整裝置、面板及連接關(guān)節(jié)等組成，每個(gè)三角形反射面單元重量約為500公斤。反射面單元背架在頂點(diǎn)上均裝有連接關(guān)節(jié)，通過這些連接關(guān)節(jié)將其懸掛在索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上形成望遠(yuǎn)鏡反射表面。
[0005]基于力學(xué)仿真技術(shù)輔助望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)控制，準(zhǔn)確的力學(xué)模型是必不可少的前提條件。索網(wǎng)與圈梁結(jié)構(gòu)在制造及安裝過程中勢(shì)必存在一定誤差，例如圈梁與索網(wǎng)連接耳板的空間定位精度約為15_，單個(gè)主索構(gòu)件的長(zhǎng)度誤差控制水平為±1_，下拉索長(zhǎng)度誤差為± 10mm，以及各種構(gòu)件之間的配合間隙等。這些因素都會(huì)影響索網(wǎng)的內(nèi)力分布及反射面控制精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種望遠(yuǎn)鏡反射面力學(xué)模型修正方法，該方法結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)各種可測(cè)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)階段的力學(xué)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，必要時(shí)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)修正，形成盡可能接近實(shí)際情況的力學(xué)模型，來輔助望遠(yuǎn)鏡反射面實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)的控制精度補(bǔ)償。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種望遠(yuǎn)鏡反射面力學(xué)模型修正方法，具體為:
1)利用全站儀測(cè)量地錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和主索節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；
2)采用磁通量傳感器測(cè)取邊緣主索索力；
3)利用望遠(yuǎn)鏡總控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)促動(dòng)器行程位置和環(huán)境溫度；
4)同時(shí)利用望遠(yuǎn)鏡總控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)促進(jìn)器油壓載荷PJ;
5)將步驟I)中測(cè)量的地錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和主索節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、步驟3)中監(jiān)測(cè)的促動(dòng)器行程位置和環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)信息輸入有限元模型中進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)算；
6)限元模型輸出模擬值:邊緣主索索力模擬值和促動(dòng)器載荷模擬值；
7)比較步驟2)中的邊緣主索索力和步驟6)中的邊緣主索索力模擬值，以及比較步驟4)中的促進(jìn)器載荷和步驟6)中的促進(jìn)器油壓載荷模擬值；如果比對(duì)結(jié)果相符合，輸出力學(xué)模型；如果比對(duì)結(jié)果不相符合，形成比對(duì)數(shù)據(jù)，利用小模量逆迭代算法調(diào)整主索無應(yīng)力長(zhǎng)度。
[0008]進(jìn)一步，所述步驟I)中采用自動(dòng)巡靶測(cè)量模式進(jìn)行測(cè)量。
[0009]進(jìn)一步，所述步驟5)中的有限元模型為利用有限元軟件ANSYS，建立FAST反射面支撐結(jié)構(gòu)的整體模型，索網(wǎng)采用LINKlO單元模擬，圈梁則采用BEAM188單元。
[0010]進(jìn)一步，所述步驟1)、2)、3)、4)的測(cè)量時(shí)間為凌晨2點(diǎn)到5點(diǎn)之間。
[0011]進(jìn)一步，所述步驟7)中的小模量迭代算法，具體為:
第一步:在有限元模型中，設(shè)定主動(dòng)調(diào)控徑向索的彈性模量為虛擬小值，同時(shí)給下拉索施加已確定的徑向索初張力PJ和自重載荷；
第二步:計(jì)算平衡狀態(tài)時(shí)節(jié)點(diǎn)m偏離目標(biāo)位置dl距離；
第三步:將偏離位移dl反向加于初始狀態(tài)來進(jìn)行調(diào)整索網(wǎng)的初始計(jì)算位置，初始計(jì)算預(yù)應(yīng)力不變，在預(yù)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)自重作用下經(jīng)過重新計(jì)算結(jié)構(gòu)再次處于平衡狀態(tài)時(shí)節(jié)點(diǎn)m偏離目標(biāo)位置距離為d2，d2〈dl ；
第四步:重復(fù)第二步進(jìn)行迭代，由于di越來越小，結(jié)構(gòu)最終能夠在滿足精度的范圍內(nèi)到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)；
第五步:將下拉索彈性模量按修改為其實(shí)際彈性模，至此模型修正工作結(jié)束。
[0012]利用本發(fā)明的修正方法對(duì)望遠(yuǎn)鏡反射面力學(xué)模型修正工作后，可以將力學(xué)模型中的上述兩種邊界條件與實(shí)測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。對(duì)于索網(wǎng)的測(cè)量與控制來說，這樣的修正可以保證力學(xué)模型的實(shí)用性。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)各種可測(cè)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)階段的力學(xué)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，必要時(shí)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)修正，形成盡可能接近實(shí)際情況的力學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的準(zhǔn)實(shí)時(shí)反饋控制功能。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面，參考附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的說明，附圖中示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以體現(xiàn)為多種不同形式，并不應(yīng)理解為局限于這里敘述的示例性實(shí)施例。而是，提供這些實(shí)施例，從而使本發(fā)明全面和完整，并將本發(fā)明的范圍完全地傳達(dá)給本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員。
[0015]為了易于說明，在這里可以使用諸如“上”、“下” “左” “右”等空間相對(duì)術(shù)語，用于說明圖中示出的一個(gè)元件或特征相對(duì)于另一個(gè)元件或特征的關(guān)系。應(yīng)該理解的是，除了圖中示出的方位之外，空間術(shù)語意在于包括裝置在使用或操作中的不同方位。例如，如果圖中的裝置被倒置，被敘述為位于其他元件或特征“下”的元件將定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性術(shù)語“下”可以包含上和下方位兩者。裝置可以以其他方式定位(旋轉(zhuǎn)90度或位于其他方位)，這里所用的空間相對(duì)說明可相應(yīng)地解釋。
[0016]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的準(zhǔn)實(shí)時(shí)反饋控制功能，需要虛擬輔助控制系統(tǒng)能快速地反饋數(shù)據(jù)處理結(jié)果。如果采用時(shí)程分析方法對(duì)索網(wǎng)變位過程進(jìn)行模擬，模擬所需要的時(shí)間可能要比實(shí)際變位觀測(cè)的時(shí)間還要長(zhǎng)。所以必須簡(jiǎn)化索網(wǎng)變位過程的分析方法，大幅提高系統(tǒng)計(jì)算效率。在此基礎(chǔ)上，選擇合適的商業(yè)有限元軟件和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，必要時(shí)自行編制有限元程序或采用并行計(jì)算設(shè)備。
[0017]由于調(diào)整主索無應(yīng)力長(zhǎng)度的逆迭代算法比較特殊，本發(fā)明的是以實(shí)際測(cè)量的促動(dòng)載荷為基準(zhǔn)，輸入到有限元模型中，再利用逆迭代方法實(shí)現(xiàn)索網(wǎng)找形計(jì)算。在此過程中，主索無應(yīng)力長(zhǎng)度將自動(dòng)得到修正。
[0018]主索網(wǎng)總共6670根主索，可測(cè)量的下拉索載荷共2225個(gè)。如果建立非齊次線性方程組去求解所有索力，即便知道所有節(jié)點(diǎn)的精確位置，其邊界條件也不夠充分，即解不唯一。但是索網(wǎng)的變位控制的實(shí)質(zhì)是力和形的控制，也就是位移和載荷邊界條件的控制。而經(jīng)過如圖1所示的修正工作后，可以將力學(xué)模型中的上述兩種邊界條件與實(shí)測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。對(duì)于索網(wǎng)的測(cè)量與控制來說，這樣的修正可以保證力學(xué)模型的實(shí)用性。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明一種望遠(yuǎn)鏡反射面力學(xué)模型修正方法，具體為:
1)利用全站儀測(cè)量地錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和主索節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；
2)采用磁通量傳感器測(cè)取邊緣主索索力；
3)利用望遠(yuǎn)鏡總控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)促動(dòng)器行程位置和環(huán)境溫度；
4)同時(shí)利用望遠(yuǎn)鏡總控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)促進(jìn)器油壓載荷PJ;
5)將步驟I)中測(cè)量的地錨節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和主索節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、步驟3)中監(jiān)測(cè)的促動(dòng)器行程位置和環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)信息輸入有限元模型中進(jìn)行檢驗(yàn)計(jì)算；
6)限元模