根据前面的介绍,FAST主动反射面整体支承结构是FAST工程所研究的四大课题之一,它采用整体索网结构,包括四大部分:背架、面索网、下拉索及周圈钢构。FAST主动反射面最大的特点是主动工作抛物面变位,即以基准曲面为球面,通过下拉索促动器的控制在500m口径内的主索网不同区域形成直径为300m的工作抛物面,以实现几何光学工作原理。由此可见,FAST主动反射面变位工作实质是一种特殊的、长期的往复疲劳荷载。这就给其主索网拉索带来了疲劳性能的问题。
研究初期预付了FAST在30年的运行期间内,主索网拉索至少有数十万次疲劳应力幅为470MPa[18]的观测。综合考虑到FAST长时巡天观测和随机独立观测的不确定性,国家天文台FAST主动反射面项目组对主索网拉索提出了应力幅500MPa条件下无限疲劳寿命(N≥2×106)的初期要求。文献[19]中,哈尔滨工业大学的研究团队对国内三个厂家提供的钢绞线和钢拉杆试件进行了高应力幅(344~500MPa)作用下的疲劳性能试验,试验结果表明:钢绞线的疲劳性能优于钢拉杆;12根钢绞线试件的疲劳寿命差异大,仅有两根钢绞线根据Smith疲劳等效应力准则和S-N试验曲线通过疲劳试验。显然,试验结果难以满足FAST工程需要,从而引发了FAST反射面项目组对超高应力幅下拉索疲劳性能的密切关注。同时国内规范对钢索材料的疲劳性能的最高应力幅远远不能满足FAST要求,在国际上也属于罕见。这就使得超高应力幅下拉索疲劳研究成为FAST反射面索网结构能否顺利成功建造和运行的关键因素之一。(www.daowen.com)
前面已完成FAST主动反射面整体支承结构主索网拉索在30年的运行期间内的疲劳分析及统计,采用量程计数法半循环统计得出,30年钢索应力幅低于300MPa的半循环最大疲劳次数约为110万次,高于300MPa的半循环最大疲劳次数约为7万次,最大疲劳应力幅约500MPa,但次数远远低于200万次。由此可见,国家天文台提出的要求高于实际统计值,但是考虑到FAST为国家重大科学工程,最终经过研究还是以应力幅500MPa条件下无限疲劳寿命(N≥2×106)为目标,进行新型耐超高应力幅疲劳的钢索设计及试验研究。
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