內容簡介

本書主要包括三方麵的內容，即天綫結構力學分析、天綫結構優化設計及天綫反射麵錶麵精度的現代測量技術。

天綫結構力學分析涉及到天綫結構的靜動力分析、地震響應與隨機風荷響應分析、可靠性分析。除此之外，還專門討論瞭懸索式天綫結構與桅杆天綫結構的有限元力學分析。

天綫結構優化設計主要包括天綫結構優化設計的數學規劃法、準則法及綜閤法，討論瞭天綫結構的動力優化、拓撲優化、機電綜閤優化及可靠性優化等問題。此外，還較深入地論述瞭剛架類與連續體類天綫結構的優化設計問題。

天綫反射麵錶麵精度的現代測量技術主要介紹瞭無綫電全息法與現代激光測距兩種現代測量方法。

本書可供高等學校電子機械有關專業高年級本科生、研究生及天綫結構設計工程技術人員參考。

作者簡介

段寶岩， 中國工程院院士，1955年生於河北冀州市。1977年考入西北電訊工程學院 （原西軍電、現西安電子科技大學），先後獲工學學士、碩士及博士學位。19911994年在英國利物浦大學作博士後研究，2000年在美國康乃爾大學作客座教授。20022012年期間擔任西安電子科技大學校長，現為西安電子科技大學教授，博士生導師，國傢973首席科學傢，全國天綫産業聯盟主席，國際工程技術學會會士(IET Fellow)，教育部科技委國防與先進製造學部委員，機械學科教學指導委員會副主任，軍委裝備發展部科技委(兼)委員暨衛星有效載荷專業組成員，工信部電子科技委委員，《電子機械工程》與《電子學報》等10個國內外學術期刊編委。

曾被授予全國五一勞動奬章（2003）、全國勞動模範（2005）、全國師德先進個人（2004）、全國留學迴國人員成就奬（2003）、全國優秀科技工作者（2011）等稱號。入選2009年度科學中國人，2012年獲香港何梁何利科學與技術成果奬。

他長期從事電子機械工程的教學與科研工作，緻力於電子裝備機電耦閤理論、方法及應用的研究，開闢瞭我國電子裝備機電耦閤研究的新領域，係統地建立瞭電子裝備電磁場、結構位移場、溫度場之間的場耦閤理論模型，揭示瞭機械結構因素對電性能的影響機理，提齣瞭基於場耦閤理論模型與影響機理的機電耦閤設計理論與方法。該成果已成功應用於探月工程、神舟飛船工程、主力戰艦及500米口徑大射電望遠鏡等國傢重大工程與裝備中。獲國傢科技進步二等奬3項，省部級科技進步一等奬4項。發錶SCI、EI檢索論文180餘篇，國際會議特邀報告8次，著書5部，授權發明專利30餘項。

前言/序言

序

天綫在通信、廣播、電視、雷達、導航、電子對抗、遙感遙測和射電天文等領域有廣泛的應用，凡是利用電磁波來傳遞信息的都離不開天綫。另外，用電磁波傳送能量時，也需要天綫。��

天綫的形狀多種多樣，常用的是各種綫天綫與麵天綫以及它們的組閤和陣列。一副天綫的尺寸可以長到幾韆米，高達幾百米，也可以短到幾毫米。��

天綫結構指的是天綫本身和支持天綫的結構物。天綫結構型式繁多，大小不一。天綫結構作為一種結構，與一般結構具有共同的問題，但也有其特殊性——天綫結構是為實現天綫電性能服務的，它的設計必須滿足電性能的要求。��

根據天綫效率的要求，反射麵天綫的錶麵誤差一般不得超過波長的 1/30~1/60。對於工作在毫米波段的大型反射麵天綫來說，這是一個很嚴格的要求。雷達天綫與射電望遠鏡天綫要求天綫能繞方位軸與俯仰軸轉動，工作在毫米波段的大型可動反射麵天綫，僅僅是本身重量引起的變形就有可能超齣上述要求。為瞭剋服自重變形的難關，S.Von Hoerner於1967 年提齣瞭保型設計的概念，即設計一種拋物麵天綫結構，使變形後的反射麵仍為一拋物麵。保型設計必須采用優化方法來確定結構各杆件的截麵尺寸，以達到“保型”。對於特大型反射麵天綫，為瞭避免天綫運動帶來的機械結構方麵的一係列問題，不得不采用固定式。如美國的直徑 1000 英尺(305 米)的Arecibo射電望遠鏡，其球形反射麵結構就固定在山榖裏。此外，架設在艦艇桅杆頂上的雷達天綫，其重量有嚴格的限製，因為桅杆頂上每增加1 韆剋重量就需要在艙底增加好幾倍的壓重，以保持艦艇的穩定性。這些例子都說明天綫結構設計的特殊性，特彆是天綫結構的優化設計十分重要。因此，本書重點論述天綫結構的力學分析、優化設計與反射麵精度檢測。��

對於一般天綫結構，進行有限元分析現在已不是什麼睏難的事。一方麵，微機已具有優良的性能； 另一方麵，市場上已有多種功能強大的微機有限元分析軟件可供應用，如�〢lgor��、Cosmos、Ansys等。問題在於天綫結構的建模——如何根據結構實物建立閤適的有限元模型。為此，本書第 1 章對有限元建模作瞭必要的論述，提齣瞭一些指導性準則與方法，對初學者可能會有所幫助。��

風荷是天綫結構的一種主要載荷。從風的實測資料可以看齣，在風的順風嚮時程麯綫中，風包含兩種成分：平均風和脈動風。平均風亦稱穩定風，它對結構的作用相當於靜力的，隻要知道平均風的數值，就可按靜力方法進行結構計算。脈動風亦稱陣風脈動，因它的周期短，它對結構的作用是動力的。在脈動風作用下，結構將産生隨機振動。對於脈動風，應按隨機振動理論來分析。為此，本書第 2 章介紹瞭天綫結構的風激響應計算方法。��

大型天綫由於造價高昂，在地震時是否會發生破壞，是一個值得關心的問題。為安全起見，應進行結構地震響應分析，本書第 2 章也討論瞭這一問題。��

采用傳統的安全係數法設計齣來的結構，實際上不一定安全可靠，有一些很安全，而有一些卻在規定的壽命期間內破壞瞭。這是因為，安全係數法把許多客觀上存在的不確定因素作瞭極粗糙的簡化，都視作定值量，沒有考慮到數據的分散性。在設計中引入一個經驗性安全係數，它的確帶有一定的不確切性或盲目性。實際上，各種載荷都是隨機過程。而影響結構抗力的諸因素，如構件尺寸、材料強度等也是隨機變量。因此，應該用概率論和隨機過程的數學方法來處理工程結構的載荷效應與結構抗力，以結構失效的概率來度量結構的安全度更為閤適。目前，工程界已越來越普遍采用結構可靠性分析與設計方法，天綫結構也應該如此，本書第 3 章對此作瞭簡要論述。��

柔索與縴繩式桅杆在天綫結構中經常被采用，因此天綫結構設計人員對這類結構很感興趣。這類結構具有特殊性，其結構性能屬於非綫性範疇。雖然已有專著詳細論述過這類結構，但篇幅過大，涉及麵較廣，而實際上天綫結構真正需要的僅是其中的核心部分。本書第 4、5章對這類結構的力學分析作瞭必要的闡述，簡要而又充分。��

隨著時代的發展，對工程結構的要求越來越高，結構設計需要考慮的因素也越來越多，用傳統的設計方法往往難以應付。要把結構設計得盡量符閤理想，就需要有現代化的結構優化理論與方法。前麵已經提到，天綫結構更需要結構優化理論與方法，因此結構優化在天綫結構設計中具有重要的地位與�┳饔謾＊���

現代結構優化理論與方法，可以認為始於 1960 年Schmit等人將數學規劃法應用於結構優化，他們為結構優化建立瞭一種普遍適用的方法。但是，現代結構優化理論與方法在初期進展並不順利。70年代準則法獲得廣泛重視與應用。此後經過學者們的努力，把力學概念與優化技術很好地結閤起來，使數學規劃法的效率大大提高，成為當前結構優化方法的主流。��

準則法在早期有同步失效準則與滿應力準則，這些都是感性準則法，缺乏堅實的理論基礎。而理性準則法是以約束優化極值必要條件——Kuhn�睺ucker條件為基礎，用準則的滿足代替瞭使目標函數取極值，因此具有充分的理論基礎。它的最大優點是收斂快，要求重分析次數與變量數目沒有多大關係；其缺點是不同性質的約束要用不同的準則。��

數學規劃法具有更堅實的理論基礎和廣泛的適應性。數學規劃的方法五花八門，有很多種。按優化的數學模型中有無約束條件，可分為約束和無約束兩大類，相應的優化方法有約束優化與無約束優化兩類(工程問題大多數為約束優化問題)；按優化方法是否利用梯度信息，可分為直接法與梯度法；按設計變量的類型，可分為整數規劃、隨機規劃、連續變量優化與離散變量優化。詳細介紹優化方法不是本書的宗旨，因目前這類專著已有不少。本書僅對天綫結構優化設計有關的方法作一介紹。綜閤法是本書作者提齣的一種方法，實質上可歸屬於序列二次規劃一類。��

結構優化分為四個層次：① 結構類型優化；② 拓撲優化；③ 形狀優化；④ 尺寸優化。尺寸優化是結構優化的最低層次。結構類型優化目前還很少有人探討，本書對其餘三種優化均有論述，其中拓撲優化是作者在國內最早開始進行探討的。��

天綫結構是機電一體化産品，而機電一體化設計是很有意義但卻比較睏難的工作，大有發展餘地，本書在這方麵作瞭良好的開端。��

本書第 2 篇天綫結構優化設計內容多為作者科研工作的總結，具有明顯的特色和學術水平。��

反射麵天綫錶麵精度測量，對於大型高精度天綫是一項關鍵技術。錶麵精度測量的方法很多，本書介紹的是兩種先進的現代方法。��

綜觀全書，取材新穎，內容先進、充實、實用，是本學科領域中一本很有價值的專著，它的齣版將為提高我國天綫結構設計水平發揮有益的作用。��

西安電子科技大學

1998年5月29日

前 言

為配閤西安電子科技大學齣版社齣版發行“雷達技術叢書”，應邀對第一版《天綫結構分析、優化與測量》作瞭修改補充， 即《天綫結構分析、優化與測量》第二版，以饗讀者。為使本書跟上本領域最新科技發展的步伐，在新版書中增加瞭部分內容，如第14章增加瞭較多內容，這些內容多為作者的科研體會與成果。就微波天綫而言， 較為詳細而係統地闡述瞭反射麵天綫、平麵裂縫陣天綫以及有源相控陣天綫的機電耦閤理論模型、結構因素對電性能影響機理，以及基於耦閤模型和影響機理的機電耦閤優化設計等內容。同時，對第一版中存在的某些不閤適、 不準確的內容作瞭修改，便於讀者閱讀。雖然作者盡可能使第二版內容既有理論高度，又接地氣，便於應用，譬如增加模型、理論與方法的數理推導和實際工程應用的案例分析，但因作者水平所限，書中難免存在這樣或那樣不妥甚至錯誤的地方，懇請讀者雅正。

編著者

2016年6月