中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

极端环境下的望远镜台址兼具高寒偏远的地理特性与观测优越的环境特性，这对天文圆顶设计的防护性能与观测性能提出了全新的要求。柔性圆顶具有轻质、便捷安装、低能耗及优异的视宁度特性，特别适用于高寒偏远地区及对圆顶视宁度要求较高的天文望远镜。然而，由于其柔性膜结构的特点，相较于传统刚性圆顶，其风载计算与分析成为技术难点。此外，为了最大程度发挥其轻质特性，需要对占据圆顶主要质量的主运动桁架结构进行拓扑优化设计。另一方面，柔性圆顶的最大优势在于能够提供优于传统圆顶的光学观测环境，因此，有必要深入分析其在不同工况下对望远镜的气流环境影响，并通过合理的风屏结构设计优化其观测条件，减少不利因素，以充分发挥其优势。针对柔性圆顶的风载分析及优化设计，实现通用化、规律化的设计总结，对于柔性圆顶的工程应用和推广具有重要的科学价值。
论文围绕南极Dome A地区12米柔性圆顶的风载分析、桁架优化设计及观测环境优化展开研究，主要研究内容包括：
（1）柔性圆顶结构特点及关键技术问题。在总结现有天文圆顶类型及工作特点的基础上，阐述柔性圆顶的结构形式及工作方式，并分析其设计过程中需要解决的关键问题。确定采用流固耦合方法对膜结构风载进行分析，并结合合理的拓扑优化方法对桁架结构进行优化设计，以及利用风屏结构对柔性圆顶的观测环境进行优化。
（2）柔性圆顶膜表面风载分析。根据柔性圆顶的结构及运行特点，利用流固耦合分析方法，对圆顶不同运行工况及相对风向角时的风压分布进行计算，并详细分析膜内、膜外及膜内外合并时的风压分布情况，揭示柔性圆顶表面风载的变化规律，为后续结构设计提供可靠的风载荷条件参考。
（3）柔性圆顶主运动桁架拓扑优化研究。由于主运动桁架在运行过程中承受的载荷呈动态变化，为了获得最稳定可靠结构，以2D桁架和3D桁架两种不同类型的基础构型作为初始基结构，分别采用变密度法和双向渐进结构优化法进行拓扑优化设计。然后通过对比优化结果，确定最优桁架结构，并结合实际制造工艺提出桁架概念构型提取策略。并对最终获得的优化桁架进行静力学试验验证，证明其在力学响应和轻量化率方面均较初始基结构有显著提升。
（4）柔性圆顶对望远镜观测环境的影响研究。参照传统圆顶内外环境变化特性，提出基于风速变化特征的方式区分开放式圆顶内外环境划分的假设，并分析不同工况下轻质圆顶对望远镜周围气流环境的影响。构建望远镜在柔性圆顶作用下的气流分布规律，并提出通过风屏结构优化气流环境以减少不利湍流及降低镜面风压的策略。
（5）风屏结构对优化轻质圆顶观测环境的作用研究。提出利用风屏结构改善柔性开放式圆顶的观测环境，通过调整风屏结构组成杆件关键参数的方式，分析风屏对柔性圆顶周围气流的优化作用，最终得到了最优化的风屏设计。并且建立了风速、风屏尺寸及其与观测设备距离之间的关系，确保风屏在不影响开放式圆顶优良观测特性的前提下，降低开放式圆顶结构带给望远镜的不利风载影响。（6）风洞试验验证。为验证分析结果的可靠性，开展相关风洞试验研究。针对膜结构风压测量难点，提出并采用改进的气动弹性风洞试验测量方法，对柔性圆顶膜表面风压及观测环境中的风速进行测量，并与数值模拟结果进行对比分析，验证了仿真计算的准确性。