大射电望远镜馈源支撑系统建模与仿真

　　1 引 言

　　根据射电天文学发展需要, 我国决定利用贵州喀斯特洼地, 建设 500m 口径球面射电望远镜( Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope, 简称 FAST) , 建成后FAST 将是世界上最大的单天线射电望远镜, 对我国天文学的发展具有重要的意义[1]。

　　针对如此巨大口径的现实情况, 对馈源支撑系统,FAST采用了一种全新的光机电一体化的创新设计方案[2]。此设计方案先通过大跨度的悬索对馈源舱进行粗调, 然后在馈源舱内采用 Stewart 机构进行二次精调, 并实时通过激光检测装置检测接收装置的具体位置, 与主动反射面配合, 反馈给计算机处理进行闭环控制。

　　由于以往对此工程的机构动力分析一般都建立在有限元的基础上, 无法对系统整体进行拖动的实际仿真计算, 因此根据上述设计方案, 采用多体动力学分析软件MSC.Adams 建立了馈源支撑系统的机械模型及风载模型, 并分析了其关键点的响应情况。

　　2 模型的建立

　　按照多体动力学建模方法, 对实际机械系统进行抽象, 用标准的运动副、驱动约束、力元和外力等要素建立与实际机械系统一致的模型[3]。

　　悬索系统采用 6 悬索式悬吊方案。悬索与馈源舱连接并不交于同一处, 而是以相邻两根为一组与馈源舱连接, 形成三角形式的连接方案。悬索模拟采用有限元的方法, 将每根悬索分割为多段, 以铰接连接, 并考虑到悬索的变形, 添加了弹簧阻尼元件, 使悬索模拟更加符合真实。馈源舱系统根据分析要求可以分为四部分, 分别为三脚架、摆索( 阻尼索) 、位置器及 Stewart 平台, 将各部分外形进行简化后, 以标准的连接副进行连接。设 Stewart平台下端动平台中心位置为关键点的位置 ( 此处也为接收器的实际位置) 。

　　设定悬索支点与馈源舱顶部中心水平距离 300m, 垂直距离 150m, 以主动反射面的底部最低处作为地面, 馈源最低点高度约为 150m。Y 向为竖直方向, X、Z 平面为水平面。

　　设定悬索直径为 40mm, 初始建模单根悬索长度为333m, 馈源总质量为 27.6t, 尺寸尺度为 10m。建模效果图如图 1 所示。

　　风载荷模型可根据达文波特风速谱模型建立。风速可以由标准风速及脉动风速两部分叠加得到, 最终得到的风速公式为:

　　其中 y 为高度, t 为时间, V( 10) 是地面高度为 10m处的平均速度, α为地面粗糙度指数, v( 10, t) 为脉动风速。实际模拟中, 根据一定的方法将风速转化为力的函数加在实际的模型中[4]。

　　图 2 为 10m高处风速为 4m/s 时求得的脉动风速曲线。

　　3 工况分析

　　由于建模时无法预知平衡时的具体位置, 所以第一步可以求出无风载下的馈源的平衡位置, 然后可根据此平衡位置, 得到实际的工作位置。根据计算馈源中心位置相对初始建模位置改变量( 单位: m) 为( 0, +1.373, 0) 。