大型动力离心机设计理论与关键技术研究

摘要

按照装备振动台与否,土工离心机大致可分为静力试验离心机和动力试验离心机(也称离心机振动台)两大类,本文将后者简称为动力离心机。动力离心机(Dynamic Centrifuge)是目前国际公认研究岩土地震工程和土动力学最先进、最有效的科学试验平台,而我国仅拥有数台辅助建设的中小型动力离心机设备,且主要技术指标与国际存在很大差距。国内大型动力离心机则为空白,这与我国辽阔的地域、复杂的工程地质条件、高速发展的经济建设以及严峻的地震形势十分不相称。大型动力离心机系统十分复杂而庞大,涉及技术多,成功经验少,建设过程具有问题多、难度大、历时长、花费高等特点。全球仅有两台大型动力离心机,且自建设后一直不断改进,其中UC Davis大型动力离心机建设周期累计长达16年。国际当前动力离心机研制技术和试验技术均不成熟,尚处于初级发展阶段,而国内对大型动力离心机的认识仅限于指标和功能的了解,缺乏系统的关键技术和设计理论研究。本文以国内对大型动力离心机的迫切需要为背景,以工程力学研究所DCIEM-40-300大型动力离心机建设为蓝本,就大型动力离心机的设计理论和关键技术展开研究,确定关键技术和设计难点,剖析主要难点和关键问题,对其中关键问题进行系统地分析、建模、推导、计算和验证。
　　本研究主要内容包括：⑴总结了国内外动力离心机及土工离心机发展现状,提出了两者性能评价指标差异和规模划分标准;阐述了动力离心机研制技术和试验技术当前研究进展,指出了国内动力离心机发展的重点方向与趋势;提出了中国地震局工程力学研究所DCIEM-40-300大型动力离心机设计指标,阐明了其总体规模和功能特点。⑵密切跟踪国际相关技术最新发展,剖析了国际上仅有的UC Davis和PWRI两台大型动力离心机设备建设经验、结构组成和设计方法;分析了大型动力离心机系统各部分的机械结构、运动约束及功能条件的内在影响和制约;确定了四个子系统的关键技术、设计重点和难点,指出了离心振动台是整个系统的研制核心。⑶针对大型动力离心机的研制核心,深入研究高振动容量和高振动负载下离心振动台设计的新问题和主要难点,引进融合国际最新技术,提出了大型离心振动台整体和主要部件的总设计新方法与基本理论;以DCIEM-40-300大型动力离心机设计指标为样本,提出了设计思路与基本方法,给出了主要部件结构、参数确定和元件选型,计算了负载特性及安全校核;建立和求解了等效吊篮质量计算模型和公式。⑷以大型离心振动台总体设计方法为基础,分等级建立和求解了三种离心振动台动力分析模型和传递函数,给出了三类不同设计条件下离心振动台液压机构基本动力特性;以DCIEM-40-300设计指标为样本,利用求解出的传递函数,分析了吊篮主要参数对离心振动台动力性能的影响规律,提出了改进离心振动台动力性能的设计方法。⑸建立了离心振动台与吊篮伺服控制动力仿真模型,研究了离心振动台三参数反馈//输入伺服控制设计方法,提出了最佳参数求解标准;给出了动力离心试验功能要求下,现有伺服控制理论拓展液压系统频宽和提高稳定性的最大能力,探讨了大型离心振动台电液伺服控制系统设计的优化方法。⑹研究了试验数据采集系统环境条件、功能要求及传感器设计问题,提出了一种多信号类型、不等数量线制、多通道复用式的大型动力离心试验数据采集系统设计方法;研究了理想条件下试验模型箱的设计要求,给出了多种结构型式,提出了一套柔性剪切模型箱设计新方法和基本理论;提出了试验图像采集系统基本设计要求和总体设计方法。⑺研究了设备总体结构布局方法和土建设计关键问题;分析了设备基础荷载条件和发生方式,建立了大型动力离心机基础振动分析模型和计算方法,提出了DCIEM-40-300基础设计方案;建立了风阻功率的计算模型,推导出了其解析计算公式,提出了便于工程应用的简化计算方法,解释了主机室空气运动的内在机理。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 土工（静力）离心机发展简述

1.3 动力离心机发展现状

1.4 相关技术（设备）研究现状和发展趋势

1.5 本文主要研究内容

第二章 关键技术和设计难点分析

2.1 引言

2.2 现有大型动力离心机组成和结构

2.3 离心机关键技术和设计难点

2.4 振动台关键技术与设计难点

2.5 试验支撑与量测系统关键技术与设计难点

2.6 土建配套设施关键技术与设计难点

2.7 本章小结

第三章 大型离心振动台总体设计方法

3.1 引言

3.2设计重点和关键问题

3.3 总体设计思想和方法

3.4作动器设计方法

3.5动力源设计方法

3.6支撑导向装置设计方法

3.7与离心机接口设计方法

3.8 本章小结

第四章 离心振动台与吊篮耦合动力特性

4.1 引言

4.2 动力元件构成特征

4.3 运动模型建立和传递函数求解

4.4 仿真计算和参数影响

4.5 本章小结

第五章 离心振动台伺服控制方法和设计优化

5.1 引言

5.2设计要求和控制策略

5.3 不考虑吊篮变形系统控制特性

5.4 考虑吊篮一阶模态系统控制特性

5.5 同步控制方法

5.6 本章小结

第六章 试验支撑与量测系统设计方法

6.1 引言

6.2 试验数据采集系统

6.3 试验模型箱

6.4 试验图像采集系统

6.5 制模设备与设计方法

6.6 本章小结

第七章 土建配套设施关键问题和设计方法

7.1 引言

7.2 总体结构布局和设计要求

7.3 设备基础振动稳定分析

7.4 室内冷却温控系统

7.5 本章小结

第八章 成果与展望

8.1 主要工作和成果

8.2本文不足与展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间主要参与的课题和项目

攻读博士学位期间发表学术论文情况