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[硕士论文] 王国创
机械工程 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:对于反射面天线来讲,反射面的表面精度直接影响着天线的电性能。风载作为大型射电望远镜的主要载荷之一,作用到反射面上,引起背架结构和反射面面板变形,从而导致天线反射面偏离原来设计的曲面,影响射电望远镜的观测精度。
  天线结构所受的风载荷与风速大小和面板风压系数分布有着直接的关系。一方面,风速预测作为一种提前预测的方法,通过预测下一时间段的风速大小,可以基本确定天线下一时间段能做哪些观测任务,对于天线的规划设计、运行的安全稳定性有着重要的意义。另一方面,目前国内外对于望远镜结构风载特性的研究还非常有限。通过数值模拟方法研究望远镜结构的风载特性,模拟天线在实际风场环境下的气体流动特性,提供多个工况下面板风压系数,为天线风载分析提供数据支持,具有重要工程的意义。
  本文的研究内容主要有以下四个方面:
  (1)对QTT射电望远镜台址的风速、风向进行统计分析,总结了风速的年变化规律;使用风速风向玫瑰图分析风向数据,发现了风向主要集中于正西方向(W)和正南方向(S)之间,北北东(NNE)方向的平均风速最大;使用Weibull函数描述风速分布的概率密度函数,拟合出全年以及各个月的分布参数。
  (2)采用ARMA模型,通过数据前处理、模式识别、模型阶数选取、参数估计、模型检验及修改、确定最优预测步长等步骤,根据QTT台址区域的历史风速数据进行了风速预测。采用BP网络法,通过数据归一化处理、确定网络形式、选取隐层最优神经元数、参数设定等步骤,同样进行了实例分析。对比两种方法,得出BP网络法预测精度优于ARMA模型的结论。使用一种基于预测-实测风速整体分布比例建立的方法对预测风速实行了校准,进一步提高了BP网络法风速预测的精度。
  (3)通过前处理、FLUNET软件计算求解、MATLAB数据后处理,对口径为26m、焦径比为0.3的天线结构在 B类地貌类型下进行了反射面风载数值仿真计算。将数值仿真结果与已有风洞试验数据进行了对比,验证了数值模拟方法结果的可信性。然后分析了面板周围区域的风速矢量绕流特性。最后通过对多工况下的天线面板风压进行数值模拟计算,仿真出面板风压系数分布情况,得到了分块风压系数值,为天线结构风载分析提供数据支持。
  (4)以26m口径射电望远镜的有限元模型为例,在风速为10m/s和20m/s,工况为俯仰角E=0°,方位角A=0°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、90°的情况下,采用CFD数值模拟的结果,将风荷加载到天线结构上。分析各个工况下结构的变形,计算得到增益损失,近似估算风载对天线电性能的影响。
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