一种基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法

1.本发明涉及悬索天线形态设计技术领域，尤其涉及一种基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法。


背景技术：

2.长波天线一般在水下通讯中扮演着重要的角色，大跨度悬索(导线)结构作为辐射体是长波天线的一种典型结构。其工作在频率范围从3～300khz，真空中波长为1000～100000米。该类天线一般布置在陆地平原或山谷中，天线尺寸一般为数千米。馈电端一般位于天线悬索下端，由下引线连接至悬索中部。考虑到载荷作用下的悬索下垂，为避免下引线触地，下引线一般布置由调节绳对其形态进行调整。大型悬索天线的形态设计需找到合适的天线形态，符合悬挂端、下引线调节端的拉力要求，同时需要满足结构的强度要求，同时为系统的施工提供支撑。形态设计是悬索天线设计施工中必不可少且至关重要的一环。
3.传统的悬索天线设计方法一般采用有限元分析方法，通过人为逐步调整结构的虚拟的热膨胀系数，使得结构的边界条件满足设计要求，再提取当前结构的内力与形态作为最终形态设计结果。目前方法的缺点是需要人为参与参数调整过程，效率较低且有时会导致设计不成功。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是，如何有效提升大型悬索天线形态设计的效率，避免传统靠人工经验和尝试试算方法导致的设计效率低下；有鉴于此，本发明提供一种基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法。
5.本发明采用的技术方案是，一种基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法，包括：
6.步骤1：给定天线悬索及下引线的材料参数，截面尺寸以及天线结构立面参数；
7.步骤2：按照给定网格尺寸或划分段数，对主索结构进行网格划分，构造节点坐标矩阵，节点连接关系矩阵；
8.步骤3：基于所述主索结构，按照自重的等分原则，构建与节点号对应的自重载荷向量，同时附加绝缘子链对应的集中力项；
9.步骤4：在所述主索结构中不包括下引线的部分，基于水平张力开展单变量，构造成最终载荷向量；
10.步骤5：在所述主索结构中的下引线部分构造全天线结构，对下引线进行网格划分，形成单元和节点信息以及载荷向量；
11.步骤6：根据悬索悬挂端和下引线调节绳端的设计拉力要求，给出天线所有索段的水平张力的初始值，构造力密度向量；
12.步骤7：构造所有节点力平衡方程，求解获得节点的更新位置；
13.步骤8：判断天线所有节点位置和上一次计算位置误差是否小于设定值，如果满
足，输出满足设计要求的天线形态，计算结束；否则，根据目标拉力要求更新力密度向量和载荷向量，回到步骤7。
14.在一个实施方式中，所述步骤1包括：
15.步骤101：给定悬索天线主索的两侧悬挂端、下引线馈线端和下引线平衡端的空间坐标；初始给定下引线分叉点的坐标；
16.步骤102：给定主索和下引线所涉及的所有索的材料参数，包括密度向量，弹性模量向量以及破断拉力向量；给定所有索的横截面参数；其中，上述四类向量中的元素数目取决于构成实际天线的索段类型的数目；
17.步骤103：给定主索以及下引线中各绝缘子链的重量及位置，作为集中载荷体现在分析模型中；
18.步骤104：根据实际配重，分别给定悬索牵引端和下引线平衡端的牵引力的目标拉力。
19.在一个实施方式中，所述步骤3包括；
20.步骤301：将主索每个单元的自重载荷等分到前后两个节点上作为节点载荷；
21.步骤302：对分配到每个节点上的自重载荷进行叠加；
22.步骤303：在相应的节点上叠加绝缘子链的重量，构造成最终载荷向量。
23.在一个实施方式中，所述步骤4包括：
24.步骤401：根据悬挂端拉力要求，给定水平张力的范围；
25.步骤402：计算水平张力下界对应的天线形态，获得对应悬挂端拉力；
26.步骤403：计算水平张力下界对应的天线形态，获得对应悬挂端拉力；
27.步骤404：结合单变量优化中常用的黄金分割法，更新水平张力下界，直至悬挂点拉力与目标拉力误差小于给定容差，此时所对应的悬索形态即为当前步骤的最终形态。
28.在一个实施方式中，所述步骤4进一步包括：
29.步骤405(a)：针对当前水平张力，对于一节点基于力密度法列写节点平衡方程；
30.步骤405(b)：针对所有节点构建所述平衡方程；
31.步骤405(c)：求解平衡方程组，得到新的节点y坐标，则此时各节点的位置唯一确定更新节点坐标矩阵；
32.步骤405(d)：判断天线所有节点位置和上一次计算位置误差是否小于设定值，如果满足，针对当前水平张力的计算结束，获得当前悬挂端的拉力；否则，根据目标拉力要求更新力密度向量和载荷向量，回到步骤405(a)。
33.在一个实施方式中，所述步骤5包括：
34.步骤501：根据当前悬索形态和下引线分叉点的位置，确定天线全结构初始位置；
35.步骤502：根据给定单元大小或分段数，划分下引线以及下引线调节绳的单元，形成单元和节点信息。
36.步骤503：根据单元和节点信息，确定总体结构的节点坐标矩阵和节点连接关系矩阵。
37.在一个实施方式中，所述步骤6包括：
38.步骤601：根据悬挂端和下引线平衡端要求和当前形态，确定悬挂端和下引线调节端的水平张力，进而根据下引线分叉点和悬挂点的受力平衡计算得到其余水平张力值；
39.步骤602：根据所有水平张力计算所有索段力密度向量。
40.在一个实施方式中，所述位移传感器与所述记忆合金弹簧为非接触式设置。
41.本发明的另一方面还提供了一种电子设备，所述电子设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上任一项所述的基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法的步骤。
42.本发明的另一方面还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法的步骤。
43.本发明提出了一种基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法，全过程无需人工干预。相比较现有的依靠经验和仿真软件试算的方法，在保证精确度的前提下，极大地提升了设计效率。
附图说明
44.图1为根据本发明实施例的基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法流程示意图；
45.图2为根据本发明实施例的悬索天线结构示意图；
46.图3为根据本发明实施例的给定水平张力下天线形态分析流程图；
47.图4为根据本发明实施例的具体实施案例得到的形态图；
48.图5为根据本发明实施例的形态设计结果有限元分析变形云图；
49.图6为根据本发明实施例的电子设备结构示意图。
具体实施方式
50.为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
51.在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
52.还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本技术的实施方式时，使用“可以”表示“本技术的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
53.如在本文中使用的，用语“基本上”、“大约”以及类似的用语用作表近似的用语，而不用作表程度的用语，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。
54.除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本技术所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且
将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。
55.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
56.本发明第一实施例，一种基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法，如图1所示，包括以下步骤：
57.步骤1：给定天线悬索及下引线的材料参数，截面尺寸以及天线结构立面参数；
58.步骤2：按照给定网格尺寸或划分段数，对主索结构进行网格划分，构造节点坐标矩阵，节点连接关系矩阵；
59.步骤3：基于所述主索结构，按照自重的等分原则，构建与节点号对应的自重载荷向量，同时附加绝缘子链对应的集中力项；
60.步骤4：在所述主索结构中不包括下引线的部分，基于水平张力开展单变量，构造成最终载荷向量；
61.步骤5：在所述主索结构中的下引线部分构造全天线结构，对下引线进行网格划分，形成单元和节点信息以及载荷向量；
62.步骤6：根据悬索悬挂端和下引线调节绳端的设计拉力要求，给出天线所有索段的水平张力的初始值，构造力密度向量；
63.步骤7：构造所有节点力平衡方程，求解获得节点的更新位置；
64.步骤8：判断天线所有节点位置和上一次计算位置误差是否小于设定值，如果满足，输出满足设计要求的天线形态，计算结束；否则，根据目标拉力要求更新力密度向量和载荷向量，回到步骤7。
65.参考图1至图5，下面将分步对本发明所提供的方法进行详细说明。
66.本实施例中，所述的步骤1，可以包括以下内容：
67.步骤101：给定悬索天线主索的两侧悬挂端、下引线馈线端和下引线平衡端的空间坐标；为方便找形设计，初始给定下引线分叉点的坐标；
68.步骤102：给定主索和下引线所涉及的所有索的材料参数，包括密度向量ρ，弹性模量向量e以及破断拉力向量ff；给定所有索的横截面参数a；上述四类向量中的元素数目取决于构成实际天线的索段类型的数目。
69.步骤103：给定主索以及下引线中各绝缘子链的重量及位置，作为集中载荷体现在分析模型中；
70.步骤104：根据实际配重，分别给定悬索牵引端和下引线平衡端的牵引力的目标拉力和
71.本实施例中，所述的步骤3，可以包括以下内容：
72.步骤301：将主索每个单元的自重载荷等分到前后两个节点上作为节点载荷；
73.步骤302：对分配到每个节点上的自重载荷进行叠加；
74.步骤303：在相应的节点上叠加绝缘子链的重量，构造成最终载荷向量。
75.本实施例中，所述的步骤4，可以包括以下内容：
76.步骤401：根据悬挂端拉力要求，给定水平张力的范围
77.步骤402：计算水平张力下界对应的天线形态，获得对应悬挂端拉力；
78.步骤403：计算水平张力下界对应的天线形态，获得对应悬挂端拉力；
79.步骤404：结合单变量优化中常用的黄金分割法，更新水平张力下界，直至悬挂点拉力与目标拉力误差小于给定容差，此时所对应的悬索形态即为当前步的最终形态。
80.上述步骤402-404中所涉及的天线形态的计算，具体操作如下：
81.步骤405(a)：针对当前水平张力，基于力密度法列写节点平衡方程。对节点q而言，其前序节点和后序节点分别为q-1和q+1，该节点的力平衡方程如下
[0082][0083]
式中，下标1代表节点q-1和q所连接单元，下标2代表节点q+1和q所连接单元。具体的节点连接关系存储在节点连接关系矩阵r
zs
中。f
x1
和f
x2
分别是两个单元的水平张力，x,y是节点的坐标，和即为对应单元的力密度。等号左侧的第三项为自重载荷，第四项为该节点处的集中载荷。
[0084]
步骤405(b)：针对所有节点列写上述平衡方程，以所有的节点y坐标为未知量，整理得到线性方程组如下所示
[0085]km*mym*1
＝p
m*1
[0086]
其中，k为所有力密度向量组集形成的系数矩阵，y和p分别为未知量向量和载荷向量，m为单悬索的节点数目。
[0087]
步骤405(c)：求解上述线性方程组，得到新的节点y坐标，而各节点的x坐标保持不变，则此时各节点的位置唯一确定。更新节点坐标矩阵l
zs
。
[0088]
步骤405(d)：判断天线所有节点位置和上一次计算位置误差是否小于设定值，如果满足，针对当前水平张力的计算结束，获得当前悬挂端的拉力；否则，根据目标拉力要求更新力密度向量和载荷向量，回到步骤405(a)。
[0089]
本实施例中，所述的步骤5，可以包含以下内容：
[0090]
步骤501：根据上一步的悬索形态和下引线分叉点的位置，给出天线全结构初始位置；
[0091]
步骤502：根据给定单元大小或分段数，划分下引线以及下引线调节绳的单元，形成单元和节点信息。
[0092]
步骤503：形成总体结构的节点坐标矩阵l
total
和节点连接关系矩阵r
total
。
[0093]
本实施例中，所述的步骤6，可以包括以下内容：
[0094]
步骤601：根据悬挂端和下引线平衡端要求和当前形态，计算得到悬挂端和下引线调节端的水平张力，继而根据下引线分叉点和悬挂点的受力平衡计算得到其余三个水平张力值；
[0095]
步骤602：根据所有水平张力计算所有索段力密度向量。
[0096]
所述的步骤7，具体操作可见步骤405。此步骤与步骤405的区别为，步骤7为针对天线所有结构(主索和下引线)的找形而步骤405所涉及的仅为主索。
[0097]
相较于现有技术，本实施例至少具备以下优点：
[0098]
本发明实施例提供的基于力密度的自适应形态设计方法，全过程无需人工干预。相比较现有的依靠经验和仿真软件试算的方法，在保证精确度的前提下，极大地提升了设计效率。
[0099]
本发明第二实施例，一种电子设备，如图6所示，可以作为实体装置来理解，包括处理器以及存储有处理器可执行指令的存储器，当指令被处理器执行时，执行如下操作：
[0100]
步骤1：给定天线悬索及下引线的材料参数，截面尺寸以及天线结构立面参数；
[0101]
步骤2：按照给定网格尺寸或划分段数，对主索结构进行网格划分，构造节点坐标矩阵，节点连接关系矩阵；
[0102]
步骤3：基于所述主索结构，按照自重的等分原则，构建与节点号对应的自重载荷向量，同时附加绝缘子链对应的集中力项；
[0103]
步骤4：在所述主索结构中不包括下引线的部分，基于水平张力开展单变量，构造成最终载荷向量；
[0104]
步骤5：在所述主索结构中的下引线部分构造全天线结构，对下引线进行网格划分，形成单元和节点信息以及载荷向量；
[0105]
步骤6：根据悬索悬挂端和下引线调节绳端的设计拉力要求，给出天线所有索段的水平张力的初始值，构造力密度向量；
[0106]
步骤7：构造所有节点力平衡方程，求解获得节点的更新位置；
[0107]
步骤8：判断天线所有节点位置和上一次计算位置误差是否小于设定值，如果满足，输出满足设计要求的天线形态，计算结束；否则，根据目标拉力要求更新力密度向量和载荷向量，回到步骤7。
[0108]
本发明第三实施例，本实施例的基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态设计方法的流程与第一、二实施例相同，区别在于，在工程实现上，本实施例可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的方法可以以计算机软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台设备执行本发明实施例的方法。
[0109]
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

技术特征：
1.一种基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法，其特征在于，包括：步骤1：给定天线悬索及下引线的材料参数，截面尺寸以及天线结构立面参数；步骤2：按照给定网格尺寸或划分段数，对主索结构进行网格划分，构造节点坐标矩阵，节点连接关系矩阵；步骤3：基于所述主索结构，按照自重的等分原则，构建与节点号对应的自重载荷向量，同时附加绝缘子链对应的集中力项；步骤4：在所述主索结构中不包括下引线的部分，基于水平张力开展单变量，构造成最终载荷向量；步骤5：在所述主索结构中的下引线部分构造全天线结构，对下引线进行网格划分，形成单元和节点信息以及载荷向量；步骤6：根据悬索悬挂端和下引线调节绳端的设计拉力要求，给出天线所有索段的水平张力的初始值，构造力密度向量；步骤7：构造所有节点力平衡方程，求解获得节点的更新位置；步骤8：判断天线所有节点位置和上一次计算位置误差是否小于设定值，如果满足，输出满足设计要求的天线形态，计算结束；否则，根据目标拉力要求更新力密度向量和载荷向量，回到步骤7。2.根据权利要求1所述的基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法，其特征在于，所述步骤1包括：步骤101：给定悬索天线主索的两侧悬挂端、下引线馈线端和下引线平衡端的空间坐标；初始给定下引线分叉点的坐标；步骤102：给定主索和下引线所涉及的所有索的材料参数，包括密度向量，弹性模量向量以及破断拉力向量；给定所有索的横截面参数；其中，上述四类向量中的元素数目取决于构成实际天线的索段类型的数目；步骤103：给定主索以及下引线中各绝缘子链的重量及位置，作为集中载荷体现在分析模型中；步骤104：根据实际配重，分别给定悬索牵引端和下引线平衡端的牵引力的目标拉力。3.根据权利要求1所述的基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法，其特征在于，所述步骤3包括；步骤301：将主索每个单元的自重载荷等分到前后两个节点上作为节点载荷；步骤302：对分配到每个节点上的自重载荷进行叠加；步骤303：在相应的节点上叠加绝缘子链的重量，构造成最终载荷向量。4.根据权利要求3所述的基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法，其特征在于，所述步骤4包括：步骤401：根据悬挂端拉力要求，给定水平张力的范围；步骤402：计算水平张力下界对应的天线形态，获得对应悬挂端拉力；步骤403：计算水平张力下界对应的天线形态，获得对应悬挂端拉力；步骤404：结合单变量优化中常用的黄金分割法，更新水平张力下界，直至悬挂点拉力与目标拉力误差小于给定容差，此时所对应的悬索形态即为当前步骤的最终形态。5.根据权利要求4所述的基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法，其特征
在于，所述步骤4进一步包括：步骤405(a)：针对当前水平张力，对于一节点基于力密度法列写节点平衡方程；步骤405(b)：针对所有节点构建所述平衡方程；步骤405(c)：求解平衡方程组，得到新的节点y坐标，则此时各节点的位置唯一确定更新节点坐标矩阵；步骤405(d)：判断天线所有节点位置和上一次计算位置误差是否小于设定值，如果满足，针对当前水平张力的计算结束，获得当前悬挂端的拉力；否则，根据目标拉力要求更新力密度向量和载荷向量，回到步骤405(a)。6.根据权利要求1所述的基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法，其特征在于，所述步骤5包括：步骤501：根据当前悬索形态和下引线分叉点的位置，确定天线全结构初始位置；步骤502：根据给定单元大小或分段数，划分下引线以及下引线调节绳的单元，形成单元和节点信息。步骤503：根据单元和节点信息，确定总体结构的节点坐标矩阵和节点连接关系矩阵。7.根据权利要求1所述的基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法，其特征在于，所述步骤6包括：步骤601：根据悬挂端和下引线平衡端要求和当前形态，确定悬挂端和下引线调节端的水平张力，进而根据下引线分叉点和悬挂点的受力平衡计算得到其余水平张力值；步骤602：根据所有水平张力计算所有索段力密度向量。8.根据权利要求1所述的基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法，其特征在于，所述位移传感器与所述记忆合金弹簧为非接触式设置。9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器和处理器，所述用于执行如权利要求1至8中任一项所述的基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法。10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质，用于执行如权利要求1至8中任一项所述的基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法。

技术总结
本发明提出了一种基于力密度的大跨度悬索天线自适应形态调节方法，包括：给定天线悬索及下引线的材料参数，截面尺寸以及天线结构立面参数；按照给定网格尺寸或划分段数，对主索结构进行网格划分，构造节点坐标矩阵，节点连接关系矩阵；构建与节点号对应的自重载荷向量，同时附加绝缘子链对应的集中力项；在主索结构中不包括下引线的部分，构造成最终载荷向量；在对下引线进行网格划分，形成单元和节点信息以及载荷向量；给出天线所有索段的水平张力的初始值，构造力密度向量；构造所有节点力平衡方程，求解获得节点的更新位置；判断天线是否满足设计要求的天线形态。本发明实施例全过程无需人工干预，在保证精确度的前提下，提升了设计效率。升了设计效率。升了设计效率。


技术研发人员：郭睿 张海岗 刘鹏 谢飞 方天宇 王拓 胡乃岗 杨东武
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/8/9