CN116305980B - 一种大型岩石平台固有频率的结构优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种大型岩石平台固有频率的结构优化方法。本发明所述方法从结构及约束角度来优化大型岩石平台的固有频率，能够有效地提高大型岩石平台的固有频率。本发明所述方法比较系统全面地阐述了固定约束和弹性约束下如何分析相应阶次的固有频率，考虑了各种影响因素并对其进行分析，提供了较为完整的优化思路。

Description

一种大型岩石平台固有频率的结构优化方法
技术领域
本发明属于岩石平台优化技术领域，特别是涉及一种大型岩石平台固有频率的结构优化方法。
背景技术
岩石平台广泛应用于精密机械中的诸多领域。大理石有很多的优点，一是硬度、抗压强度高，天然大理石是经过了长时间岁月的洗礼，组织结构自然均匀，线膨胀系数极小，不易变形；二是耐腐蚀耐酸碱性极高；三是耐磨性强；四是在高温不会因为温度的变化而变形损坏；五是不磁化，测量时能平滑移动，无滞涩感，不受潮湿影响，平面称定好。但在实际应用时，由于精密仪器隔振的需求，为防止共振产生，对大理石的固有频率有很高的要求，如果对平台的约束不够，则需要对岩石平台的结构进行优化以达到固有频率的要求，尤其是大型岩石平台，其约束条件相对于整个平台往往略显不足，固有频率较难优化。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种大型岩石平台固有频率的结构优化方法。本发明所述方法从结构及约束角度来优化大型岩石平台的固有频率，能够有效地提高大型岩石平台的固有频率。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种大型岩石平台固有频率的结构优化方法，所述方法具体为：
步骤一、依据使用需求分析确定原始平台模型、约束条件以及对平台固有频率的要求，并通过建模软件建立平台模型，通过仿真软件计算初始固有频率；如果约束条件存在固定约束，则优化其第一阶固有频率，如果约束条件均为弹性约束，则优化其第七阶固有频率；
步骤二、如果岩石平台的固有频率不满足要求，则对平台的结构及约束条件做优化；
步骤三、将优化后的岩石平台模型重建并进行模态仿真，比较结果是否满足使用需求，如果依旧不满足使用需求则回到步骤二依据仿真结果继续优化，直至优化结果满足使用需求；
步骤四、满足固有频率的使用要求后确定模型，并可以继续通过仿真评估平台的其它性能。
进一步地，在步骤二中，对平台的约束条件进行优化包括对约束条件的大小优化，具体为：利用仿真软件的参数化扫描功能扫描约束条件大小并画出折线分析影响效果。
进一步地，在步骤二中，对平台的约束条件进行优化包括对约束条件的位置优化，具体为：利用仿真软件的参数化扫描功能扫描约束条件的位置参数并画出折线分析影响效果。
进一步地，在步骤二中，对平台的结构优化具体为：增大厚度、挖圆孔减小质量、切掉方形平台的四角或减小四角的质量分布、增加加强筋。
进一步地，所述增大厚度，具体为：整体增大平台厚度有效提高平台的刚度，进而提高固有频率。
进一步地，所述挖圆孔减小质量，具体为：避开施加约束条件的位置，在不影响整体刚度的地方挖圆孔减小平台的质量进而提高固有频率。
进一步地，所述切掉方形平台的四角或减小四角的质量分布，具体为：如果将多数约束条件施加的支撑面连成一个“圈”，在模态仿真结果中即可发现高阶模态振动时“圈”内的变形一般小于“圈”外的变形，即方形平台的四角局部刚度小或约束少，因此在不影响平台功能的前提下切掉四角；如果无法直接切掉四角，可以减小四角的质量分布。
本发明的有益效果为：
1、本发明所述方法比较系统全面地阐述了固定约束和弹性约束下如何分析相应阶次的固有频率，考虑了各种影响因素并对其进行分析，提供了较为完整的优化思路。
2、本发明所述方法利用参数化扫描功能和拓扑优化功能，能够将各项参数对于固有频率的影响图像化并选取最优参数。
附图说明
图1为大型岩石平台结构优化流程图。
图2为减削四周质量后模型示意图。
图3为最终优化模型示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-图3，本发明提出一种大型岩石平台固有频率的结构优化方法，所述方法具体为：
步骤一、依据使用需求分析确定原始平台模型、约束条件以及对平台固有频率的要求，并通过建模软件建立平台模型，通过仿真软件计算初始固有频率；如果约束条件存在固定约束，则优化其第一阶固有频率，如果约束条件均为弹性约束，则优化其第七阶固有频率；
步骤二、如果岩石平台的固有频率不满足要求，则对平台的结构及约束条件做优化；
在步骤二中，对平台的约束条件进行优化包括对约束条件的大小优化，具体为：约束条件的大小：约束条件越大、越多，则固有频率越高。对于固定约束，其所约束的面积越大，则固有频率提升越多；对于弹性约束，其刚度越大，则固有频率越高，但提高刚度对提高固有频率作用较小，远不如其它优化方法有效。具体方法：利用仿真软件的参数化扫描功能扫描约束条件大小并画出折线分析影响效果。
在步骤二中，对平台的约束条件进行优化包括对约束条件的位置优化，具体为：约束条件分布越“均匀”，固有频率越高。“均匀”并不是指约束条件在几何上的平均分布，而是指考虑了局部质量、局部刚度的均匀分布(不局限于平台底面，可以在底部挖坑将支撑面置于平台底面之上，更接近质心的地方)，局部质量越大、局部刚度越小的地方需要分配更多、更大的约束。具体方法：利用仿真软件的参数化扫描功能扫描约束条件的位置参数并画出折线分析影响效果。
在步骤二中，对平台的结构优化具体为：在约束条件无法提供较大的优化效果时，需要对岩石平台的结构进行优化，由固有频率的计算公式可知，刚度越大、质量越小，固有频率越高。具体的优化思路有：增大厚度、挖圆孔减小质量、切掉方形平台的四角或减小四角的质量分布、增加加强筋。具体方法都可采用参数化扫描的方法，对于减少材料的思路也可以利用结构拓扑优化功能实现。
所述增大厚度，具体为：整体增大平台厚度有效提高平台的刚度，进而提高固有频率，在仅有弹性约束时比其它多数方法更见成效。
所述挖圆孔减小质量，具体为：避开施加约束条件的位置，在不影响整体刚度的地方挖圆孔减小平台的质量进而提高固有频率，一般在平台尺寸最长的方向挖孔可以避免过多减小整体刚度。
所述切掉方形平台的四角或减小四角的质量分布，具体为：如果将多数约束条件施加的支撑面连成一个“圈”，在模态仿真结果中即可发现高阶模态振动时“圈”内的变形一般小于“圈”外的变形，尤其是方形平台的四个角变形尤为明显，这说明方形平台的四角局部刚度较小或约束较少，但一般不易兼顾四角的约束和中间的约束，所以可以在不影响平台功能的前提下切掉四角。如果无法直接切掉四角，可以减小四角的质量分布，例如添加倒角、减小平台四角或平台边缘一圈的厚度，如此可以在不影响平台整体刚度的情况下减小四角的质量分布。
所述增加加强筋：添加加强筋也可以提高平台的刚度，但是由于岩石平台只能在底部挖出加强筋，所以会破坏平台底面的完整性，提高固有频率的效果较低。
步骤三、将优化后的岩石平台模型重建并进行模态仿真，比较结果是否满足使用需求，如果依旧不满足使用需求则回到步骤二依据仿真结果继续优化，直至优化结果满足使用需求；
步骤四、满足固有频率的使用要求后确定模型，并可以继续通过仿真评估平台的其它性能。
本发明所述一种大型岩石平台固有频率的结构优化方法在实际应用中的相关描述：
设计要求：台面尺寸为4m*3m，质量不超过15t，由8个空气弹簧支撑，固有频率不低于141Hz。设计流程如图1所示。
设计分析：空气弹簧支撑是弹性约束，所以设计要求是第七阶固有频率不低于141Hz。初始模型尺寸定为4m*3m*0.4m，空气弹簧的位置按照“均匀”、对称的原则分布，由空气弹簧的尺寸将空气弹簧的支撑面定于平台地面上方110mm处。初始模态仿真结果为99Hz(已对约束位置进行优化并确定最优位置)。
结构优化-平台厚度：将平台厚度参数化扫描，发现随着厚度提高，固有频率随之提高，在厚度为600mm时，频率为139Hz，此时质量过高，因此考虑减小四角的质量，并在长度方向上挖孔。
结构优化-减小四角质量：将空气弹簧外围的大理石减削一层，此时，如图2所示，大理石平台在厚度方向上存在四个平面，这四个平面之间的厚度关系都可以进行优化，经过仿真分析，以减削的厚度为参数进行扫描最优(此步也可使用拓扑优化进行)，由扫描结果可知，当减削厚度为330mm时，固有频率为147Hz。
结构优化-挖圆孔：在长度方向上挖圆孔，依据工厂工艺确定圆孔尺寸后重建模型并进行模态仿真，最终质量在15吨以下，并且第七阶固有频率为151Hz，满足设计要求并留有余量。
添加圆角、倒角以及各处细节，得到最终模型如图3所示。

Claims (4)

1.一种大型岩石平台固有频率的结构优化方法，其特征在于：所述方法具体为：
步骤一、依据使用需求分析确定原始平台模型、约束条件以及对平台固有频率的要求，并通过建模软件建立平台模型，通过仿真软件计算初始固有频率；如果约束条件存在固定约束，则优化其第一阶固有频率，如果约束条件均为弹性约束，则优化其第七阶固有频率；
步骤二、如果岩石平台的固有频率不满足要求，则对平台的结构及约束条件做优化；
步骤三、将优化后的岩石平台模型重建并进行模态仿真，比较结果是否满足使用需求，如果依旧不满足使用需求则回到步骤二依据仿真结果继续优化，直至优化结果满足使用需求；
步骤四、满足固有频率的使用要求后确定模型，并可以继续通过仿真评估平台的其它性能；
在步骤二中，对平台的约束条件进行优化包括对约束条件的大小优化，具体为：利用仿真软件的参数化扫描功能扫描约束条件大小并画出折线分析影响效果；
在步骤二中，对平台的约束条件进行优化包括对约束条件的位置优化，具体为：利用仿真软件的参数化扫描功能扫描约束条件的位置参数并画出折线分析影响效果；
在步骤二中，对平台的结构优化具体为：增大厚度、挖圆孔减小质量、切掉方形平台的四角或减小四角的质量分布、增加加强筋。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增大厚度，具体为：整体增大平台厚度有效提高平台的刚度，进而提高固有频率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述挖圆孔减小质量，具体为：避开施加约束条件的位置，在不影响整体刚度的地方挖圆孔减小平台的质量进而提高固有频率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切掉方形平台的四角或减小四角的质量分布，具体为：如果将多数约束条件施加的支撑面连成一个“圈”，在模态仿真结果中即可发现高阶模态振动时“圈”内的变形一般小于“圈”外的变形，即方形平台的四角局部刚度小或约束少，因此在不影响平台功能的前提下切掉四角；如果无法直接切掉四角，可以减小四角的质量分布。
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