FAST反射面支承结构在役可靠性研究

FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope) has been completed and entered the adjustment- trial observation period. The reliability of existing supporting-structure directly affects the movement of main reflector’s precision and focus of observation paraboloid. The priori theory was used in the stages of supporting structure design and construction. But the construction error, material property difference, inconsistent with the theoretical calculation model exist in the structure when it was built. Through the previous studies, we found that the ring-beam structure under uneven condition actual deformation has certain regularity and the direction, the reflector actual center coincide with the theory incompletely. we will take it important to study on the ring-beam structure in the adjustment test response, timing function and directivity of paraboloid forming. The research of this subject will correct the input parameters of FAST observation, and then improve the observation efficiency.

FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope ）已经落成，进入调试、试观测阶段，其支承结构的在役可靠性直接影响反射面变位抛物面精度、抛物面观测指向等。设计及建造阶段对支承结构的研究基于先验性理论进行，而建成后的支承结构与设计相比则存在施工误差、材料属性差别、理论计算模型与真实结构的差异等。本课题通过前期的研究发现，圈梁结构承受分布不均匀的实际承载工况下的变形具有一定规律性和方向性，反射面的实际球心与理论球心不重合。本课题将主要针对圈梁结构在调试试观测阶段的荷载响应、反射面变位抛物面时的结构功能适时性以及抛物面的指向性展开研究。本课题的研究将校正FAST观测时的结构输入参数，进而提高观测效率。

500米口径球面射电望远镜(简称FAST)是世界上最大的最灵敏的单口径球面射电望远镜。该望远镜的反射面是由4450块铝合金空间网架结构型式的反射面单元组成，反射面单元安装于6670根钢索组成的索网上，索网通过150个牵索耳板连接到圈梁下弦上。圈梁是整个反射面的支承结构，承载反射面单元、索网传来的荷载以及温度、风等环境作用，圈梁的结构性能是保证反射面面形精度的一个关键因素。针对圈梁结构的荷载响应展开研究，基于结构性能考虑以及反射面精度要求，主支承结构的刚度是课题研究的重点。研究表明，对于如此巨大尺度的结构，温度荷载对圈梁结构的刚度起控制作用；反射面传来的荷载施加于圈梁内侧，方向指向内侧，为解决偏心加载的影响，研究了圈梁结构的配载效应；通过科学合理地温度应力释放、结构刚度调整，以及采用预留变形空间的方法，利用有限元模拟并进行实验验证，研究了圈梁承载时的刚性变形，为变位抛物面进行观测输入参数提供依据。.1.反射面精度除了受其自身结构型式、加工制造影响，环境作用以及支承结构的在役性能也是影响反射面精度的重要因素。同一时刻，望远镜的不同位置的温度存在不均匀性，最大温差约10℃；而由于地势的影响，格构柱的高度在6.419m~50.419m之间，存在结构不均匀性。基于上述因素，不均匀温度对支承结构的影响显著。根据温度变化的跟踪实验，研究支承结构的变位规律，分析温度作用下的变位特性，为观测时实时变位抛物面提供输入。极端不均匀温度作用引起的圈梁结构不均匀位移约31mm，呈NW-SE方向位移大、NS-SW方向位移小的趋势。.2.支承结构承受的荷载主要是自重、索网传来的拉力，还包括环境温度和风载。反射面自重以及索网拉力通过150个牵索耳板传到圈梁上，其合力方向指向圈梁内侧，为抵消部分内力，圈梁与格构柱采取非对中设计，其外侧悬挑部分，既为结构提供刚度，还起到了配重的作用，圈梁悬挑部分重量约1600t，产生外侧弯矩；观测时，索网需要实时变位抛物面，通过牵索耳板传到圈梁上的荷载实时变化，圈梁结构提供了合理的约束作用，保证了望远镜的正常运行，具有合理地安全性及可靠性。.3.FAST反射面的基准面是一个半径为300m的球面，观测时根据目标天体的位置不同可形成口径为300米的抛物面。实际工况作用下对反射面指向的影响，跟踪实验研究表明，施工误差和结构参数误差影响下的望远镜指向具有规律性。