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解读世界最大的单口径射电望远镜——500m口径球面射电望远镜(BIAD设计)

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在2017年4月26日公布的“2016年北京市科技进步奖”获奖名单中,由中国天文台主导,北京市建筑设计研究院有限公司(BIAD等单位参与设计的国家重大科学工程——“500m口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”项目(以下简称为FAST)荣获北京市科学技术奖一等奖

 
500米口径球面射电望远镜被誉为‘中国天眼’,是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。FAST口径500m,面积约30个足球场大小,与被评为人类20世纪10大工程之首的美国300m望远镜相比,其综合性能提高约10倍。FAST将在未来20~30年保持世界领先地位。
 
 
 
 
5月9日上午,在北京院召开了以“北京国企助力国家科技进步”为主题的FAST-BIAD设计媒体采访会。北京市国资委副巡视员荀永利,市委宣传部新闻处干部杨洋,市国资委宣传工作处副处长郭尽辉、郭盛惠,宣传工作处干部贾军辉,北京市建筑设计研究院有限公司副总经理郑实,BIAD复杂结构设计院院长、副总工程师苗启松,BIAD复杂结构设计院副院长、FAST反射面主体支承结构设计负责人朱忠义及FAST设计团队代表莅临本次采访会。
 
 
苗启松
 
朱忠义
 
 
《建筑结构》杂志社有幸参加了本次采访会,深入了解了FAST项目的设计难点以及BIAD设计团队是如何逐一解决的,下面将主要内容与大家一起分享。
 
 
一、FAST项目系统构成
 
二、FAST反射面特点
 
(1)      尺度巨大
FAST口径500米、面积约为美国Arecibo望远镜的2.5倍,见下方对比图。
 
 
(2)主动变位
反射面在寻源和跟踪过程中,需实时调整形态,在观测方向形成300米口径瞬时抛物面以汇聚电磁波,是与美国Arecibo望远镜固定反射面根本的区别。
 
 
 
(3)超高精度
作为高精度天文仪器的重要组成系统,成型精度需达到毫米级。
 
(4)边界复杂
位于地质、地貌复杂的喀斯特洼地,自然边界条件可靠性较低。
 
 
 
三、BIAD主要参与了FAST反射面主体支承结构设计、自适应反射面板连接拓扑优化及馈源舱结构的审核。
 
 
 
 
FAST主动反射面主体支承结构由圈梁、格构柱和主动变位的索网组成。
 
 
500米口径、可主动变位的索网系统
 
 
FAST索网结构的一些关键指标远高于中外相关领域的规范要求,其直径500m,采用短程线网格划分,并采用间断设计方式,即主索之间通过节点断开。整个索网共6670根主索、2225个主索节点及下拉索。主索截面一共有16种规格,截面面积介于280~1319mm2之间。
 
由于场地条件限制,全部索网结构须在高空中进行拼装。索网采取主动变位的独特工作方式,即根据观测天体的方位,利用促动器控制下拉索,在500m口径反射面的不同区域形成直径为300m的抛物面,以实现天体观测。
 
 
 
 
1、设计了适应复杂地形的巨型支承结构
 
(1)解决了复杂地形对支承结构的影响。支承圈梁的格构柱高度在3.15~54.265m之间变化,侧向刚度有较大差异;设计了圈梁的滑动边界,改善了基础、圈梁和索网的受力性能,降低了索网疲劳应力幅,有效解决了复杂地形带来的系列结构问题。
 
 
 
(2)发明了一种带链杆单向滑动铰支座。实现了理论边界条件,消除了现有支座容易卡住的问题。
 
2、设计了具有主动变位功能的高精度索网结构
 
(1)提出适应FAST索网的形态分析方法。实现零状态索网位形与球面初始态吻合;通过迭代调整下拉索初应变确定各抛物面形态;分析过程高效、简洁、直观。
 
 
 
(2)研究了主动变位的高应力幅索网疲劳技术指标。在FAST运行过程中,索网形成连续变化的抛物面,产生往复变位疲劳荷载,引起索网严重的疲劳问题;FAST索网应力幅高达459MPa,超过国内外规范200~250MPa的要求。
 
(3)合作发明了适应主动变位的轻量化索网节点。工厂制造精度高、现场安装精度高,满足高精度索网安装;满足高应力幅变位疲劳、钢索转角实时变化的要求,提高了索网疲劳性能。
 
 
 
 
(4)提出基于敏感性分析的精度控制方法。提高索网精度的关键措施包括:高精度边界:基于均匀温度场实测圈梁位形,实现索网边界±10mm的高精度定位;高精度索长:提出恒温、带载制索方法,实现索力与索长的高精度闭合,索长误差要求不大于1.0mm;高精度安装:通过销轴与关节轴承的过盈配合,消除钢索安装误差。
 
 
部分项目照片:
FAST反射面、主索、下拉索
 
 
 
FAST主索节点盘
 
 
 
FAST馈源舱支撑塔
 
 
FAST下拉索、促动器、反射面
 
 
 
FAST圈梁、格构柱
 
FAST的一些关键数据
500m,FAST口径500m,是目前世界上建成及计划建造的最大口径的球面射电望远镜;
134m,从索网最高点到最低点高差134m;
168m,FAST要修建6座馈源塔,最高168m,6座塔均建在落差达百米的山崖上;
30个,整个FAST的球面面积相当于30个足球场大小;
1600m,4200t,整个钢结构圈梁长度达1600m,消耗钢材4200t,;
8895根,1300t,FAST反射面索网结构将由8895根高强度、高精度钢索连接而成,形成重达1300t的索网;
4400块,由4400块主动反射单元拼装在索网上组成反射面;
2.5倍,比美国阿雷西博望远镜反射面积大2.5倍;
22年,从1994年开始选址到建成足足花了22年时间。
 
FAST进展
1993年,我国天文学家提出在贵州省黔南州喀斯特洼地建造FAST的设想,并于2007年获批,总投资约6.67亿元;
2007年7月,FAST工程项目正式立项,台址确定在贵州省黔南州平塘县克度镇金科村的“大窝凼”洼地;
2011年3月正式开工建设;
2014年1月,FAST工程实现圈梁顺利合拢;
2014年7月17日,第一根主索安装,FAST工程反射面索网安装正式步入工程实施阶段;
2016年9月落成启用。
作者: 来源: 发布时间:2017年05月10日