大型射电望远镜悬挂馈源舱体结构的振动控制

　　1　引　　言

　　目前世界上唯一的大型球面射电望远镜是美国的305m口径望远镜Arecibo。根据射电天文学发展的需要,中国科学家提出了新一代大型射电望 远镜(LT)的设计方案[1,2]。该方案采用机、电、光一体化技术,通过六根上百米长的大跨度悬索来拖动20t重的馈源舱,完成跟踪天体的观测工作。口 径400~500m的反射面由贵州省天然的KARST洼地支承。六根悬索的索塔建在洼地周围的六座山峰上,索塔顶端相对反射面底部的高度拟定为 250m,LT结构如图1所示。该方案将采用纯机械工作方式的Arecibo悬挂馈源背架结构的重量从800t降到了20t,并使造价大幅度降低,观测精 度提高。目前,LT的设计、分析与模型实验工作获得中科院知识创新工程项目“大射电望远镜FAST(500m球反射面望远镜)预研究”的资助,正在紧张而 有序地进行。不久的将来,世界上最大的LT将在贵州建成,以供世界各国的天文学家进行深空探测[3]。文献[4]对LT的悬索舱体结构进行了非线性静力学 分析,求解了结构初始静态参考位形和初应力。文献[5]在时域上模拟研究了初始处于静平衡状态的悬索舱体系统的随机风振响应。模拟结果表明,在贵州当地最 大风荷(17m/s)的激励下,馈源舱节点的最大位移可达70cm的量级。

　　本文在文献[1]的设计基础上,在悬索舱体结构中增加结构被动控制索系以增强结构抵抗风荷的能力。我国目前仅在极其有限的建筑物上安装了结构控 制装置,其中又以隔震装置为多[6]。因此,将结构控制技术应用于射电天文领域是一次跨学科的尝试。与静止的楼房、桥梁、高耸的电视塔等结构不同,悬索舱 体系统需做跟踪天体的缓慢运动。单纯采用斜拉索控制[7],一端固定的拉索会限制舱体的规定运动。又因舱体体积有限,TMD装置不宜放于其中。为了既抑制 馈源舱的风振响应,又不限制馈源舱的规定运动,本文提出如图1所示的被动索系结构振动控制方案。

　　应用计算软件分析强几何非线性系统的动力响应之前,需要确定结构的初始静态参考位形和初应力,以构造结构的非线性几何刚度矩阵[8]。为此,本文首先对包含控制索系的悬索舱体系统进行非线性静力学分析。

　　频域法以线性化为前提,要精确进行强非线性结构的随机动力响应分析,只能借助于时域法[7]。故本文利用ADINA结构非线性动力分析软件,采 用直接积分法,在时域中模拟了控制索系对悬索舱体系统风振响应的控制效果。此外,利用FFT变换,由系统的时域响应得到频域响应,进一步研究了控制效果。

　　2　悬索-吊重振动控制系统

　　为了便于六套伺服系统对主动索的协调控制,六个主动索索塔均匀分布在直径为D1的圆周上。故被动控制系也用三组对称分布的被动拉索、定滑轮和吊 重组成。三个定滑轮支架均匀地分布在反射面的边沿,高度取为73m。若计及结构控制索系的阻尼和刚度,可近似地认为结构控制索系是由三个广义TMD并联构 成的拟动力吸振器[9]。