一种基于单侧振源的重型数控机床地基基础隔振沟的设计与调整方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于单侧振源的重型数控机床地基基础隔振沟的设计与调整方法，通过建立三维模型，对隔振沟的各参数进行有限元仿真分析并调整，从而得出满足重型数控机床精度要求的隔振沟参数。确定隔振沟的形状；进行隔振沟深度的设计调整；进行隔振沟宽度的设计调整；进行隔振沟的具体位置的设计与调整；进行隔振沟内填充材料的设计与调整，分别进行空沟、填充柔性材料、填充刚性材料、刚性材料与柔性材料同时使用各种情况进行分析调整，然后根据实际工程需要确定满足重型机床精度要求的隔振材料。通过本设计与调整可以有效地达到隔振目的，满足重型数控机床精度要求。
【专利说明】一种基于单侧振源的重型数控机床地基基础隔振沟的设计
与调整方法【技术领域】
[0001]本发明属于屏障隔振【技术领域】，涉及一种基于单侧振源的重型数控机床地基基础隔振沟的设计与调整方法。
【背景技术】
[0002]重型数控机床是我国能源、航天航空、大型舰船、汽车等行业发展的急需，是衡量一个国家技术水平和综合国力的战略物资。重型数控机床作为加工制造大型、特大型零件的工作母机，其精度直接决定着所加工的大型零部件的精度。随着现代工业技术和高性能科技产品对零件精度 和表面完整性的要求越来越高，机床加工精度要求也越来要高，为保证加工精度，除机床本身的结构设计合理以外，外界环境振动通过地基基础传播到机床，对机床加工精度的影响也不可忽视。
[0003]振动的实质是振动波沿地表的传播，因此可以通过设置屏障对振动波进行拦截从而达到隔振的目的，这就是屏障隔振的基本原理。屏障隔振与传统方法相比具有造价低、不易损坏、耐久性好、施工简单和可以作为结构一部分等优点。
[0004]国内外很多学者在隔振方面进行了大量研究，Woods提出了近场主动隔振和远场被动隔振的概念，但未提供定量分界线，Lysmer最早提出距离波源2.5LR为分界线，Haupt提出了 2LR作为近场与远场隔振界线。国内邱畅也分析了近场与远场界线的取值。屏障隔振措施可分为连续屏障和非连续屏障，前者包括隔振沟、隔振墙等；后者一般有排桩、排孔等。Woods和Haupt对空沟屏障隔振进行过系统的试验研究。Chouw和Andersen等通过研究得到空沟隔振效果好于屏障隔振的结论。邱畅等分析了影响屏障隔振效果的主要参量，研究了使屏障隔振效率降低甚至失效的入射波全透射现象，指出了柔性屏障隔振易出现这一现象。高广运等把填充沟看作存在于弹性半空间的异质体，运用瑞利波散射的积分方程，对填充沟远场被动隔振进行了三维分析，得出刚性材料比柔性材料具有更好的隔振效果；当屏障深度超过一倍瑞利波波长后，屏障深度对隔振效果的影响很小。而Adam等则认为填充沟槽采用柔性材料(其极端为空沟)隔振效果好于刚性材料，可见存在相互矛盾。总的来看，屏障隔振机理的探讨尚不深入。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种基于单侧振源的重型数控机床地基基础隔振沟的设计与调整方法，隔振沟采用直线型长沟，通过调整沟的长度、深度、宽度、及沟与重型数控机床地基基础的距离，并且对比分析空沟和各种填充沟，以得到符合重型数控机床隔振要求的隔振方案。
[0006]为实现上述目的，本发明是采用以下技术方案为一种基于单侧振源的重型数控机床地基基础隔振沟的设计与调整方法，该方法工作流程如下，
[0007](I)确定隔振沟长度[0008]隔振沟长度一定要满足圆心角(90° -180° )的要求，并且根据施工及经济因素条件采取直线隔振沟。
[0009](2)隔振沟深度的设计调整
[0010]在沟宽、隔振沟位置固定不变及其他设计参数相同的情况下，进行不同隔振空沟深度(lm-20m)的隔振效果对比，并要综合考虑被保护对象的振动要求及施工要求，选择合适沟深。
[0011](3)隔振沟宽度的设计调整
[0012]固定隔振沟深度不变，沟位置不变及其它设计参数相同的隔振空沟，沟宽度取为不同数值(1000mm-2000mm之间)。通过不同宽度的隔振空沟隔振效果对比，并综合考虑工程施工和经济因素等各方面要求，确定合适的隔振沟宽度。
[0013](4)隔振沟位置(即隔振沟距离重型数控机床地基基础的距离)的设计与调整
[0014]固定隔振沟的长度、宽度、深度、隔振材料及其他设计参数，通过改变隔振沟离需要隔振的重型数控机床地基基础的距离(0-3000mm)，分析隔振沟的位置变化时其隔振效果，并结合工程实际确定隔振沟的合理位置。
[0015](5)隔振沟内填充材料的设计与调整
[0016]隔振沟的长度、深度、宽度、隔振沟距离被保护对象距离固定不变，及其他设计参数相同，隔振沟分别采取空沟、填充沟，填充沟又分为柔性材料(泡沫或橡胶)、刚性材料(混凝土或钢)，柔性材料与刚性材料同时使用，这种情况又分为以下两种:A沿隔振沟宽度方向等分成三层，柔性材料填充在中间一层，两侧填充刚性材料；B沿隔振沟宽度方向等分为三层，中间填充刚性材料，两侧填充柔性材料；(:沿隔振沟宽度方向等分成三层，中间一层不填充(相当于填充材料为空气)，两侧填充刚性材料。分别对这几种情况进行隔振效果对比，确定每种情况的隔振效果及特点，然后根据工程要求确定采用哪种隔振材料。
[0017]在以上设计与调整过程中，首先进行三维模型构建，以单侧振源为激振点，振源产生的波经过传播，到达隔振沟，经过隔振沟隔振后，传播到重型数控机床的地基基础。通过有限元分析软件对三维模型中振动的传播进行仿真分析，以隔振沟隔振后传播到重型数控机床地基基础的竖向振动幅值为主要分析对象，并且分别对隔振沟的长度、宽度、深度、位置、隔振沟内不同填充材料及填充材料的厚度进行调整，从而使隔振沟达到最好的隔振效果，使振动对重型数控机床造成的影响减到最小，使数控机床加工精度得到提高，满足重型数控机床的加工精度要求。
[0018]本发明的特点是隔振沟采用远端被动隔振，振源为单侧振源，隔振沟的长度、宽度、深度、隔振材料、隔振沟的位置均可调整，通过调节这些参数可以使隔振沟达到较理想的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1表示一种基于单侧振源的重型数控机床地基基础隔振沟的设计与调整方法的流程图；
[0020]图2表示振源、隔振沟、重型数控机床地基基础的位置关系示意图，X轴与y轴所在平面为水平面，z轴为垂直向下方向，同隔振沟深度方向相同，O为坐标原点，I代表隔振沟，2代表重型数控机床地基基础，3代表振源，A为隔振沟的局部图；[0021]图3表示振源、隔振沟、重型数控机床地基基础的尺寸关系平面示意图，I代表振源，2代表大地，3代表隔振沟，4代表重型数控机床地基基础，分别为振源到隔振沟的距离和隔振沟到重型数控机床地基基础的距离，h为隔振沟深，D为隔振沟宽度，其中Rι大于2.0 λ κ ( λ κ为瑞利波波长)；
[0022]图4表示振源、隔振沟、重型数控机床地基基础的平面关系俯视图，Rι, r2分别为振源到隔振沟的距离和隔振沟到重型数控机床地基基础的距离，L为隔振沟沟长，D为隔振沟宽度，91与02的和角为振源到隔振沟长度方向两端点所组成的角，称之为圆心角，Θ = θ 2, Θ ^ Θ 2 ^ 90° ；
[0023]图5表不图2中局部图A在填充各种隔振材料时的放大图，1、2、3分别代表隔振
[0024]沟内填 充材料时沿隔振沟宽度方向的分层，1、2、3层每层厚度相同，均为D/3。
【具体实施方式】
[0025]本发明为一种基于单侧振源的重型数控机床地基基础隔振沟的设计与调整方法，其流程示意图如图1所示，下面结合流程示意图(图1)及其他附图(图2-5)对本发明的步骤作详细说明。具体步骤如下:
[0026]振源为单侧振源，振动方式为简谐振动或者冲击振动，以传递到重型数控机床地基基础上表面的垂直方向的振幅为研究目标，建立包括振源、大地、隔振沟、机床基础的三维模型，以ansys有限元分析软件为工具，进行以下工作。
[0027]( I)确定隔振沟长度
[0028]首先根据振源的距离确定隔振沟的长度L。对于圆心角(圆心角是指以振源为圆心及隔振沟长度方向形成的圆的圆心角)小于360°的隔振沟，它所屏蔽的区域是以振源和振源到沟中点连线为45°对称的径向直线相交于隔振沟所包围的面积，对圆心角小于90°的隔振沟是无效的，根据这一原理，如图4所示，使θ1+θ2=90°，并且采取直线型隔振沟。
[0029](2)隔振沟深度的设计调整
[0030]屏障隔振的实质是非匀质弹性半空间波的传播问题，即弹性波与土介质中屏障的相互作用问题。对于远场被动隔振，瑞利波能量占总能量的67%，横波占25.8%，纵波占
6.9%，瑞利波比纵波和横波衰减要慢得多，所以远场振动是瑞利波为主。根据波动理论得瑞利波的位移场:
【权利要求】
1.一种基于单侧振源的重型数控机床地基基础隔振沟的设计与调整方法，其特征在于:该方法工作流程如下， (1)确定隔振沟长度 隔振沟长度一定要满足圆心角(90° -180° )的要求，并且根据施工及经济因素条件采取直线隔振沟； (2)隔振沟深度的设计调整 在沟宽、隔振沟位置固定不变及其他设计参数相同的情况下，进行不同隔振空沟深度(lm-20m)的隔振效果对比，并要综合考虑被保护对象的振动要求及施工要求，选择合适沟深; (3)隔振沟宽度的设计调整 固定隔振沟深度不变，沟位置不变及其它设计参数相同的隔振空沟，沟宽度取为不同数值(1000mm-2000mm之间 );通过不同宽度的隔振空沟隔振效果对比，并综合考虑工程施工和经济因素等各方面要求，确定合适的隔振沟宽度； (4)隔振沟位置的设计与调整 固定隔振沟的长度、宽度、深度、隔振材料及其他设计参数，通过改变隔振沟离需要隔振的重型数控机床地基基础的距离(0-3000_)，分析隔振沟的位置变化时其隔振效果，并结合工程实际确定隔振沟的合理位置； (5)隔振沟内填充材料的设计与调整 隔振沟的长度、深度、宽度、隔振沟距离被保护对象距离固定不变，及其他设计参数相同，隔振沟分别采取空沟、填充沟，填充沟又分为柔性材料、刚性材料，柔性材料与刚性材料同时使用，这种情况又分为以下两种:A沿隔振沟宽度方向等分成三层，柔性材料填充在中间一层，两侧填充刚性材料；B沿隔振沟宽度方向等分为三层，中间填充刚性材料，两侧填充柔性材料；C沿隔振沟宽度方向等分成三层，中间一层不填充(相当于填充材料为空气)，两侧填充刚性材料；分别对这几种情况进行隔振效果对比，确定每种情况的隔振效果及特点，然后根据工程要求确定采用哪种隔振材料； 在以上设计与调整过程中，首先进行三维模型构建，以单侧振源为激振点，振源产生的波经过传播，到达隔振沟，经过隔振沟隔振后，传播到重型数控机床的地基基础；通过有限元分析软件对三维模型中振动的传播进行仿真分析，以隔振沟隔振后传播到重型数控机床地基基础的竖向振动幅值为分析对象，并且分别对隔振沟的长度、宽度、深度、位置、隔振沟内不同填充材料及填充材料的厚度进行调整，从而使隔振沟达到最好的隔振效果，使振动对重型数控机床造成的影响减到最小，使数控机床加工精度得到提高，满足重型数控机床的加工精度要求。
2.根据权利要求1所述的一种基于单侧振源的重型数控机床地基基础隔振沟的设计与调整方法，其特征在于:振源为单侧振源，振动方式为简谐振动或者冲击振动，以传递到重型数控机床地基基础上表面的垂直方向的振幅为研究目标，建立包括振源、大地、隔振沟、机床基础的三维模型，以ansys有限元分析软件为工具，进行以下工作； (I)确定隔振沟长度 首先根据振源的距离确定隔振沟的长度L ;对于圆心角小于360°的隔振沟，它所屏蔽的区域是以振源和振源到沟中点连线为45°对称的径向直线相交于隔振沟所包围的面积，对圆心角小于90°的隔振沟是无效的，根据这一原理，如图4所示，使θ1+θ2=90°，并且采取直线型隔振沟； (2)隔振沟深度的设计调整 屏障隔振的实质是非匀质弹性半空间波的传播问题，即弹性波与土介质中屏障的相互作用问题；对于远场被动隔振，瑞利波能量占总能量的67%，横波占25.8%，纵波占6.9%，瑞利波比纵波和横波衰减要慢得多，所以远场振动是瑞利波为主；根据波动理论得瑞利波的位移场:
【文档编号】G06F17/50GK103942378SQ201410146389
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】李富平, 杨恩芝, 刘志峰, 田杨, 张珂, 宁越 申请人:北京工业大学