一种大规模振动工程控制装置优化布置方法

摘要

[01]本发明公开了一种大规模振动工程控制装置优化布置方法，所述控制装置为钢弹簧隔振器，所述方法包括步骤：1)根据实际工程确定钢弹簧初始布置方案；2)建立隔振体系整体有限元计算模型；3)确定加载工况；4)通过软件进行有限元计算各个钢弹簧的实际承载量F；5)计算各个钢弹簧的隔振效率ηn，隔振效率ηn为实际承载量F/极限承载量[F]；6)隔振效率均匀化，计算均匀隔振效率[η]，[η]＝(η1+η2+η3+….+ηn)/n；7)如果各隔振效率ηn满足(ηn‑[η])/[η]≤10％，确定有效方案；8)针对整个隔振模型进行模态计算分析；9)确定最终方案，如果满足模态，即模态计算基频误差在10％以下，确定最终方案；10)根据确定的最终方案来布置钢弹簧。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大规模振动工程控制装置优化布置方法，属于建筑设计领域。

背景技术

目前，针对工程隔振中出现的大规模钢弹簧布置，主要是根据承载情况，采取均匀化的布置方法，方案形成并投入使用后，隔振器工作性态固定、不可调，无法适用变化的振动荷载输入，且各个隔振器实际工作性能差别较大，总结之，传统方法具有以下缺点：

1)经验性地开展大规模钢弹簧布置。由于传统工程隔振设计中，大规模钢弹簧一般采取均匀化布置方式，不考虑实际振动荷载变化情况、钢弹簧实际承载情况往往都不是最佳布置方案，甚至出现不利方式，这样会影响实际隔振效果。

2)隔振器间实际隔振效率差别较大。传统隔振设计中，经验性地采用钢弹簧均匀化布置方式，由于实际振动荷载变化以及隔振装置安放位置变化等，导致隔振器承载力不同，甚至出现差别很大；有的弹簧承载力很大，接近极限承载力，隔振效率发挥大；有的弹簧承载力很小，几乎不工作，弹簧使用的总体效率低。

3)经济耗费大。传统的隔振设计，根据隔振对象尺寸、重量等，经验性地开展大规模隔振器布置，往往为使隔振效果保守，会选择更加密集的布置方式，经济耗费较大。

4)不利于钢弹簧隔振器耐久性使用。在传统隔振设计中，不考虑隔振器的实际使用效率，对于承载效应不良的隔振器，特别是处于临界承载甚至高临界承载的弹簧，在长期工作状态下，会出现耐久性问题，甚至会因破坏而直接导致整体隔振系统瘫痪。

5)方案固化。传统隔振设计方案，仅依据隔振对象承载、几何尺寸等进行经验性弹簧布置，待方案形成后不可调，对于振动荷载变化、承载变化无适应性，很难真正意义上运用于实际工程。

因此，在建筑设计领域，提出一种钢弹簧隔振器优化布置方法的需求日益增加。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种大规模振动工程控制装置优化布置方法，其可避免经验性地采取均匀化布置方式。

本发明的再一目的在于提供一种大规模振动工程控制装置优化布置方法，其解决了经济耗费较大、不利于钢弹簧隔振器耐久性使用等技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供一种大规模振动工程控制装置优化布置方法，包括步骤：1)根据实际工程确定钢弹簧初始布置方案；2)建立隔振体系整体有限元计算模型；3)确定加载工况；4)通过软件进行有限元计算各个钢弹簧的实际承载量F；5)计算各个钢弹簧的隔振效率η_n，隔振效率η_n为实际承载量F/极限承载量[F]；6)隔振效率均匀化，计算均匀隔振效率[η]，[η]＝(η₁+η₂+η₃+....+η_n)/n；7)如果各隔振效率η_n满足(η_n-[η])/[η]≤10％，确定有效方案；如果隔振效率η_n不满足(η_n-[η])/[η]≤10％，找出偏离目标弹簧，重新进行布置，并返回步骤5)进行循环处理，直至满足(η_n-[η])/[η]≤10％；8)针对整个隔振模型进行模态计算分析；9)确定最终方案，如果满足模态，即模态计算基频误差在10％以下，确定最终方案；如果不满足模态，即模态计算基频误差在10％～30％之间，对设计方案进行微调，重新进行模态计算，如此循环，直至模态计算基频误差在10％以下，确定最终方案；模态计算基频误差在30％以上，重新进行布置，并返回步骤5)进行循环处理，直至模态计算基频误差在10％以下，确定最终方案；10)根据确定的最终方案来布置钢弹簧。

在根据本发明所述的大规模振动工程控制装置优化布置方法中，所述软件为ansys软件。

本发明的有益效果：

1)可解决大规模钢弹簧隔振器优化布置。本技术针对实际工程隔振中出现的大规模钢弹簧隔振器，提出一种最优布置方法，可避免经验性地采取均匀化布置方式。

2)可充分发挥钢弹簧隔振器效率。本技术提出所有弹簧隔振效率均匀化为目标，基于有限元计算方法，通过编制命令流方式，不断修正初始布置方案，直至逼近、获得最优结果，以达到充分发挥钢弹簧隔振效率。

3)可降低经济成本。本技术不采取传统的均匀布置方式，而采用合理的最优布置方案，可有效地减小隔振器数量，且可保证隔振效果，经济效益好。

4)更有利于发挥隔振效果、保护隔振对象。本发明提出目标弹簧隔振效率均匀化，可保证每个弹簧承载力差别不大，避免隔振对象因承载力不同而产生次生扰动，甚至造成破坏。

5)更具有工程可变性、适应性和通用性。本技术可依据不同的振动荷载情况、不同的承载情况以及不同的环境扰动情况，进行大规模钢弹簧隔振器的最优布置，具有非常强的可变性，可适用于不同类工程，效率高、效果好、通用性强。

附图说明

图1是钢弹簧隔振器优化布置方法的流程图。

图2为钢弹簧隔振器的有限元计算模型。

具体实施方式

为使本的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图进行详细说明。

本发明通过建立整体钢弹簧隔振系统有限元计算模型(包括台座和钢弹簧)，并建立加载参数化命令流，根据隔振器实际承载力评价其实际发挥作用有效率(以极限承载力为标准)，以不断修正、调整初始布置方式或传统经验性布置方式，优化每个隔振器使用效率，最终确定全部隔振装置达到最大利用效率的最优方案。

如图1所示，在本发明中，一种大规模振动工程控制装置优化布置方法，所述控制装置为钢弹簧隔振器，所述方法包括步骤：

1)根据隔振对象具体结构、钢弹簧承载情况确定钢弹簧初始布置方案；

由于隔振对象的具体结构不同、各个钢弹簧的极限承载力不同，经验性地根据隔振对象具体结构、钢弹簧承载情况确定其布置情况。

2)建立隔振体系整体有限元计算模型；例如整个隔振体系的有限元计算模型可以是如图2所示。本领域技术人员结合现有技术能够建立这样的模型。

3)确定加载工况；

本发明所述的加载工况指的是简谐振动荷载、脉冲振动荷载以及随机振动荷载等，其中，荷载指的是使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素，或指施加在工程结构上使工程结构或构件产生效应的各种直接作用。

4)通过软件进行有限元计算各个钢弹簧的实际承载量F；所述软件例如可以为ansys软件；

有限元分析是利用近似数学的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件)，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元，例如用多边形(有限个直线单元)逼近圆来求得圆的周长。

5)计算各个钢弹簧的隔振效率η_n，其中n为钢弹簧的个数，取值为自然数1、2....，分别表示第1、第2…第n个钢弹簧的隔振效率，隔振效率η_n为实际承载量F/极限承载量[F]；隔振效率为实际承载量与极限承载量的比值

6)隔振效率均匀化，计算均匀隔振效率[η]，

[η]＝(η₁+η₂+η₃+....+η_n)/n；均匀隔振效率为各个钢弹簧的隔振效率之和与钢弹簧总数的比值。

7)如果各钢弹簧的隔振效率η_n满足(η_n-[η])/[η]≤10％，确定有效方案；如果不满足(η_n-[η])/[η]≤10％，找出偏离目标弹簧，重新进行布置，并返回步骤5)进行循环处理，直至各钢弹簧的隔振效率η_n满足(η_n-[η])/[η]≤10％；

如果各个钢弹簧的隔振效率满足(η_n-[η])/[η]≤10％，按照初始布置方案确定有效方案；若某个钢弹簧的隔振效率不满足(η_n-[η])/[η]≤10％，这个钢弹簧的位置需要发生变动，直至各个钢弹簧的隔振效率η_n均满足上述公式。

8)针对整个隔振模型进行模态计算分析；

模态是结构系统的固有振动特性。每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。1个模态对应多个模态特征参数，这些模态特征参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。模态分析是评价所述隔振体系的力学性质是否合理有效的必要手段。

9)确定最终方案，如果满足模态，即模态计算基频误差在10％以下，模态计算基频误差为(计算基频-目标基频)/目标基频，确定最终方案；

如果轻微不满足模态，即模态计算基频误差在10％～30％之间，30％＞(计算基频-目标基频)/目标基频＞10％，对设计方案进行微调，即对某个钢弹簧小幅度的左右移动，进而重新进行模态计算，如此循环，直至模态计算基频误差在10％以下，确定最终方案；

如果严重不满足模态，即模态计算基频误差在30％以上，(计算基频-目标基频)/目标基频≥30％，出现严重误差，需要对钢弹簧位置重新进行布置，并返回步骤5)进行循环处理，直至模态计算基频误差在10％以下，确定最终方案；

其中，目标模态为理想立项值，在实际工程中，多应设计方或者业主要求提供；计算基频为模态特征参数中的最小频率。

10)根据确定的最终方案来布置钢弹簧。

根据本发明的技术方案，首先，钢弹簧实际使用效率评价准则。在大规模钢弹簧隔振器优化布置过程中，通过逐个监测每个钢弹簧的变形(变形乘以刚度等于承载力)或者监测钢弹簧实际承载力，与其极限承载力进行比较，得出各个钢弹簧的隔振效率。

其次，钢弹簧隔振效率均匀化准则。基于上述方法计算得到的每个钢弹簧的隔振效率，进行评判，以得出其均匀化水平(每个隔振效率偏离整体隔振效率平均值的水平)。将所有钢弹簧隔振器实际使用效率均匀化定义为设计目标，在优化布置过程中，找出偏离均匀目标钢弹簧，并进行设计方案调整。

最后，大规模钢弹簧最优布置方案。对每个钢弹簧的实际隔振效率进行评价，找出偏离均匀化目标的弹簧，并对其位置和隔振参数进行修正，以继续获得更新的布置方案，并利用相同方法进行优化，直至获得最优结果。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。