[发明专利]一种基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法

说明书

本发明公开了一种基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法，该方法采用目前最先进的数字双胞胎技术，将望远镜反射面结构的实际运行状态，实时映射到数字模型上，形成数字双胞胎。然后，通过有限元分析及对结果数据的统计，得到各根索截止当前时刻的实际应力谱。最后，根据试验获得的索的S‑N曲线，采用目前国际上通用的Miner线性累计损伤定律，得到各根索截止当前时刻的疲劳损伤度，并据此给出相应的预警信息，帮助望远镜运营方及时制定维修计划，提前采购相应类型的钢索，并对相应索提前进行更换。该方法可有效避免望远镜索网结构脆性疲劳破坏的风险，大大降低索网维修的时间成本，提高望远镜的有效观测时间，具有很大的效益。

技术领域

本发明涉及望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法领域，尤其是涉及一种基于数字双胞胎技术的望远镜反射面结构疲劳寿命监测方法。

背景技术

数字双胞胎技术是一种将特定产品的数字信息与产品运行中实时获得的操作数据流相结合，以及将基于物理的理解与分析相结合，以获得深入的产品洞察力的一种新兴技术。仿真软件、硬件和处理速度的改善，以及物联网(LOT)的兴起，使该技术的应用成为可能。

500m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter aperture spherical radiotelescope,FAST)是世界上最大的单口径射电望远镜。该望远镜反射面采取主动变位的独特工作方式,可根据观测天体的角度，在500m口径反射面的不同区域，形成直径为300m的抛物面。该望远镜的工作频率在70MHz～3GHz之间。

为了实现反射面的主动变位特性，FAST采用柔性索网作为主要支承结构。索网结构共包括6670根主索和2225个下拉索，索网周边固定在圈梁上。FAST的圈梁为直径约500m的11m×5.5m环形桁架，重量约5350吨。圈梁支撑格构柱共50个，高度在6m-50m不等的格构柱上。索网的每个主索节点设置单根下拉索，通过促动器拖动下拉索来控制索网变位，从而在500m口径范围内的不同区域形成300m口径的抛物面。FAST望远镜索网结构中,面索总共有16种规格,截面积在280mm²-1319mm²；下拉索有2种规格，截面积均为140mm²。

FAST反射面结构的2225个促动器上均布置了磁致伸缩传感器，测量精度可达到10微米，传感器按1HZ的频率采集数据并实时上传到总控数据库中。

FAST望远镜对天体进行跟踪观测时，需要根据天体的运动轨迹，在FAST反射面500m口径范围内的不同位置，形成一系列连续的300m抛物面，这导致FAST索网结构中的面索及下拉索长期在循环变化的载荷作用下工作，疲劳破坏是其最主要的破坏形式。

FAST在设计阶段根据望远镜的科学目标，参照世界上同类型望远镜(GBT、新疆25m射电望远镜等)每年的运行时间，通过估算得到FAST在30年的设计寿命内，总共观测次数大概228715次。并采用仿真计算的方法统计了各根索4个月的应力-时间历程，基于随机分配观测模式的原则，获得30年的设计寿命内的应力谱，进而确定了面索需满足500MPa应力幅下，200万次疲劳加载不发生疲劳破坏的设计指标。这一指标是现行相关规范值得2.5倍。为此，FAST工程团队专门研制了应用于FAST的高疲劳性能钢索。

FAST索网结构的钢索长期承受高达500MPa的疲劳应力幅，是望远镜的关键易损部位，在设计阶段做了充分的调研和分析计算，而且专门研制了高疲劳性能的钢索。但是，设计阶段进行疲劳计算时采用的各个钢索的应力谱毕竟是理论推算出来的，而且运行过程中的观测模式也必然不是按科学目标随机的分配，这很有可能导致部分区域的索网承受的应力循环次数比预估值多，部分区域的应力循环次数比预估值少。而且，设计阶段无法预估运行过程中的促动器故障情况，而促动器故障也会导致临近的索网的应力状态发生变化。另外，设计阶段也无法预测出今后FAST的升级改造情况，这些因素都将导致实际发生的应力谱和设计阶段预估的应力谱有出入，使FAST可能存在发生疲劳破坏的风险。