CN116738609B - 一种大型激振平台的支撑结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种大型激振平台的支撑结构设计方法，本发明通过框架尺寸设计匹配激振平台尺寸、选材以保证结构的刚度、有限元仿真验证支撑结构的固有频率和应力变形、框架结构分解以方便加工运输和组装、优化结构参数以提高结构的稳定性和刚度。采用本发明提出方法设计的支撑结构稳定性强、结构简明、固有频率高、安装简单，采用焊接以及螺纹连接的方式组装，并在重要部位采用加固板进行加固，保证了结构的刚度和强度。
Description
技术领域
本发明属于大型平台支撑连接技术领域，具体涉及到一种大型激振平台的支撑结构设计方法。
背景技术
支撑结构是激振设备的重要组成部分之一，为激振平台提供必要的连接以及刚度，是设备正常工作的重要保证。在一种大型激振设备中，支撑结构的主要功能是：
1、作为作动器的安装支撑结构，并提供调平装置；
2、作为空气弹簧的支撑；
3、抬高平台，使底部有足够的空间可以进行检修和替换设备的工作；
由于平台会产生较大的振动，为避免平台发生共振，需要保证支撑结构有足够大的固有频率(或者刚度)；作为作动器的安装结构，也需要保证在作动器出力时，支撑结构在反作用力的作用下变形足够小；同时作为空气弹簧的支撑结构，需要支撑整个平台以及负载的重量，在垂直方向上要有优良的强度。本发明设计了一种支撑结构以满足以上使用需求。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提供了一种大型激振平台的支撑结构设计方法。特别是涉及一种大型激振设备的有固有频率要求的支撑连接结构设计方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种大型激振平台的支撑结构设计方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、框架尺寸设计：根据激振平台的尺寸初步确定支撑框架的尺寸，画出支撑结构的初步模型；
步骤二、选材：考虑到应用需求、加工工期以及其它因素，结合后续的仿真结果，选择并优化框架材料；
步骤三、框架结构分解：根据支撑结构的模型将框架分解为多个部件，并确定每个部件之间的连接方式；
步骤四、有限元仿真验证：依照使用条件分析支撑框架的约束情况，分析电机靠板的局部模态、受力变形以及整个框架总体的模态、受力变形，得到仿真结果；
步骤五、优化结构参数：根据步骤四的结果，验证上述设计的支撑框架是否符合使用要求，如果存在不符合的情况，则根据仿真结果对其中薄弱的部分进行结构、尺寸的优化，如果需要对材料进行改变则回到步骤二，再到步骤四重新仿真验证，如果材料合格则直接回到步骤四，直至仿真结果符合使用要求；
步骤六、确定方案：当步骤四通过后，结合步骤三的结果，即可确定最后的支撑框架结构，整理各部分模型以及仿真文件形成最后方案。
进一步地，在步骤一中，依据激振平台的尺寸、并预留出足够空间保证作动器的最大行程有效以及合适的底部空间保证检修工作能够正常进行，初步确定支撑框架的尺寸；具体为：支撑框架中间预留的安装激振平台的尺寸为4m*2.44m，底部预留的检修工作空间的高度通过垫高空气弹簧实现，具体垫高高度为960mm。
进一步地，在步骤二中，支撑框架选用的基础材料可以选择方钢或者工字钢，首先初略选定一种材料，画出支撑结构的初步模型，然后根据有限元仿真结果进行进一步选材。
进一步地，在步骤三中，考虑到实际使用需求以及安装条件，支撑支架分为七大组件及其余小件，七大组件包括各两件横、纵梁和三件支腿，其余小件包括工字钢支腿、电机靠板、安装调整板、限位装置和加固板；各组件之中采用焊接的方式连接，各组件之间采用螺纹连接的方式组装，并在重要部位采用加固板进行加固。
进一步地，在组装时按照如下顺序进行以保证作动器出力的对称性：
(1)、首先检查地面是否平坦，不能有明显的凸起或凹地；
(2)、安装底部的三件支腿，以中间的支腿为基准，两侧与之对齐，保证上平面与侧方平行；
(3)、安装横梁或纵梁；假设先安装一侧横梁，以一侧横梁为基准安装另一侧横梁，保证二者的平行度以及两者组成的上平面的平面度；
(4)、安装剩余的纵梁或横梁；安装好两个横梁后，以一侧横梁为基准安装两件纵梁，保证两件纵梁与一侧横梁之间的垂直度及上平面的平面度；
(5)、安装电机靠板、安装调整板，仍以一侧横梁为基准，保证各个电机靠板的位置精度；
(6)、安装剩余的工字钢支腿、限位装置，优先保证安装的稳定性。
进一步地，在步骤四中，在最后一次参数优化后，电机靠板的第一阶固有频率为366.28Hz，最大受力情况下最大变形为3.34×10-6m，最大mises应力为4.17MPa，均满足使用要求，其约束条件为：在支撑框架底部十四个与地面接触及侧面四个与墙壁接触的一共十八个工字钢支腿的接触表面上施加固定约束；在固定约束下支撑框架的第一阶固有频率为150.45Hz，满足使用要求，其约束条件为：在电机靠板上与安装调整板连接的螺栓面上施加电机的最大出力，在电机靠板的地面施加固定约束。
本发明的有益效果为：
本发明针对一种大型激振平台设计了一种满足使用要求尤其是固有频率要求的支撑连接结构，使得结构能够稳定正常工作，并保证了设备可随时检修、替换部件。本发明通过框架尺寸设计匹配激振平台尺寸、选材以保证结构的刚度、有限元仿真验证支撑结构的固有频率和应力变形、框架结构分解以方便加工运输和组装、优化结构参数以提高结构的稳定性和刚度。采用本发明提出方法设计的支撑结构稳定性强、结构简明、固有频率高、安装简单，采用焊接以及螺纹连接的方式组装，并在重要部位采用加固板进行加固，保证了结构的刚度和强度。
附图说明
图1为大型激振平台的支撑结构设计流程图。
图2为支撑框架尺寸设计结果示意图。
图3为各组件模型示意图，其中，(a)横梁，(b)纵梁，(c)支腿，(d)工字钢支腿，(e)电机靠板，(f)安装调整板1，(g)安装调整板2，(h)加固板。
图4为最终方案模型示意图。图中标号：1,2,3为三件支腿，4为一侧横梁，5为另一侧横梁，6为一侧纵梁，7为另一侧纵梁，8为工字钢支腿，9为电机靠板，10为加固板。
图5为激振设备模型示意图。
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。
本发明针对一种尺寸为4m*3m的大理石激振平台设计一种满足使用要求的支撑连接框架，其使用要求包括：
(1)足够的刚度、强度保证电机出力时框架变形微小；
(2)整体及局部的第一阶固有频率不低于141.4Hz；
(3)必要的位置调整装置。
参阅图1-图5，本发明提出一种大型激振平台的支撑结构设计方法，所述方法包括框架尺寸设计、选材、有限元仿真验证、框架结构分解、优化结构参数、确定方案六个步骤，其中步骤二、步骤四和步骤五在设计过程中会重复进行。具体设计步骤如下：
步骤一、框架尺寸设计：根据激振平台的尺寸初步确定支撑框架的尺寸，画出支撑结构的初步模型；
步骤二、选材：考虑到应用需求、加工工期以及其它因素，结合后续的仿真结果，选择并优化框架材料；
步骤三、框架结构分解：根据支撑结构的模型将框架分解为多个部件，并确定每个部件之间的连接方式；
步骤四、有限元仿真验证：依照使用条件分析支撑框架的约束情况，分析电机靠板的局部模态、受力变形以及整个框架总体的模态、受力变形，得到仿真结果；
步骤五、优化结构参数：根据步骤四的结果，验证上述设计的支撑框架是否符合使用要求，如果存在不符合的情况，则根据仿真结果对其中薄弱的部分进行结构、尺寸的优化，如果需要对材料进行改变则回到步骤二，再到步骤四重新仿真验证，如果材料合格则直接回到步骤四，直至仿真结果符合使用要求；
步骤六、确定方案：当步骤四通过后，结合步骤三的结果，即可确定最后的支撑框架结构，整理各部分模型以及仿真文件形成最后方案。
在步骤一中，依据激振平台的尺寸、并预留出足够空间保证作动器的最大行程有效以及合适的底部空间保证检修工作能够正常进行，初步确定支撑框架的尺寸；具体为：支撑框架中间预留的安装激振平台的尺寸为4m*2.44m，底部预留的检修工作空间的高度通过垫高空气弹簧实现，具体垫高高度为960mm。
在步骤二中，考虑到应用需求、加工工期以及其它因素，支撑框架可以选用的基础材料可以选择方钢或者工字钢，首先初略选定一种材料，画出支撑结构的初步模型，然后根据有限元仿真结果进行进一步选材。具体为：经过仿真结果分析，最后支架的主体结构及其余部分使用横截面为400mm*400mm的工字钢，其优点是经济实惠、结构强度高、便于加工、抗弯性能好，可以提供更好的稳定性。支架的主体结构在工字钢两侧焊接钢板以增加整体的强度。初步设计的框架如图2所示。
在步骤三中，根据大致的支撑结构的模型，考虑安装条件、结构强度、安装简便性、加工难度等因素将框架分解为多个部件，确定每个部件之间的连接方式，必要时在主要框架连接处添加加固板以增加稳定性。考虑到实际使用需求以及安装条件，支撑支架分为七大组件及其余小件，七大组件包括各两件横、纵梁和三件支腿，都是尺寸和重量极大的组件，其余小件包括工字钢支腿、电机靠板、安装调整板、限位装置和加固板；各组件之中采用焊接的方式连接，各组件之间采用螺纹连接的方式组装，并在重要部位采用加固板进行加固。各组件如图3所示。支撑结构的总组装图如图4所示。
由于激振台在激振时作动器(电机)出力的对称性对控制解耦具有极大的影响，因此在组装框架时需要保证较高的对称性，在保证加工精度的情况下，在组装时按照如下顺序进行以保证作动器出力的对称性：
(1)、首先检查地面是否平坦，不能有明显的凸起或凹地；
(2)、安装底部的三件支腿，以中间的支腿为基准，两侧与之对齐，保证上平面与侧方平行；
(3)、安装横梁或纵梁；假设先安装一侧横梁，以一侧横梁为基准安装另一侧横梁，保证二者的平行度以及两者组成的上平面的平面度；
(4)、安装剩余的纵梁或横梁；安装好两个横梁后，以一侧横梁为基准安装两件纵梁，保证两件纵梁与一侧横梁之间的垂直度及上平面的平面度；
(5)、安装电机靠板、安装调整板，仍以一侧横梁为基准，保证各个电机靠板的位置精度；
(6)、安装剩余的工字钢支腿、限位装置，优先保证安装的稳定性。
在步骤四中，依照使用条件分析支撑框架的约束情况，分析电机靠板的局部模态、受力变形以及整个框架总体的模态、受力变形，得到仿真结果。具体为：在最后一次参数优化后，电机靠板的第一阶固有频率为366.28Hz，最大受力情况下最大变形为3.34×10-6m，最大mises应力为4.17MPa，均满足使用要求，其约束条件为：在支撑框架底部十四个与地面接触及侧面四个与墙壁接触的一共十八个工字钢支腿的接触表面上施加固定约束；在固定约束下支撑框架的第一阶固有频率为150.45Hz，满足使用要求，其约束条件为：在电机靠板上与安装调整板连接的螺栓面上施加电机的最大出力，在电机靠板的地面(与框架的横、纵梁连接的地方)施加固定约束。
在步骤五中，根据上一步的结果，验证上述设计的支撑框架是否符合使用要求，如果存在不符合的情况，则根据仿真结果对其中薄弱的部分进行结构、尺寸的优化，并回到步骤四重新仿真验证，直至仿真结果符合使用要求。具体为：主要对优化结果中变形较大的地方进行钢板加厚、加筋、改变工字钢朝向等操作，或者将工字钢换成方钢以增强结构强度。
在步骤六中，当步骤四通过后，结合步骤三的结果，即可确定最后的支撑框架结构，整理各部分模型以及仿真文件形成最后方案。最后的支撑框架模型如图4所示，由于安装调整板与电机相连，未在图4中展示。图5为支撑框架与激振平台组成的激振设备。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种大型激振平台的支撑结构设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、框架尺寸设计：根据激振平台的尺寸初步确定支撑框架的尺寸，画出支撑结构的初步模型；
步骤二、选材：考虑到应用需求、加工工期以及其它因素，结合后续的仿真结果，选择并优化框架材料；
步骤三、框架结构分解：根据支撑结构的模型将框架分解为多个部件，并确定每个部件之间的连接方式；
步骤四、有限元仿真验证：依照使用条件分析支撑框架的约束情况，分析电机靠板的局部模态、受力变形以及整个框架总体的模态、受力变形，得到仿真结果；
步骤五、优化结构参数：根据步骤四的结果，验证上述设计的支撑框架是否符合使用要求，如果存在不符合的情况，则根据仿真结果对其中薄弱的部分进行结构、尺寸的优化，如果需要对材料进行改变则回到步骤二，再到步骤四重新仿真验证，如果材料合格则直接回到步骤四，直至仿真结果符合使用要求；
步骤六、确定方案：当步骤四通过后，结合步骤三的结果，即可确定最后的支撑框架结构，整理各部分模型以及仿真文件形成最后方案。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤一中，依据激振平台的尺寸、并预留出足够空间保证作动器的最大行程有效以及合适的底部空间保证检修工作能够正常进行，初步确定支撑框架的尺寸；具体为：支撑框架中间预留的安装激振平台的尺寸为4m*2.44m，底部预留的检修工作空间的高度通过垫高空气弹簧实现，具体垫高高度为960mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤二中，支撑框架选用的基础材料可以选择方钢或者工字钢，首先初略选定一种材料，画出支撑结构的初步模型，然后根据有限元仿真结果进行进一步选材。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤三中，考虑到实际使用需求以及安装条件，支撑支架分为七大组件及其余小件，七大组件包括各两件横、纵梁和三件支腿，其余小件包括工字钢支腿、电机靠板、安装调整板、限位装置和加固板；各组件之中采用焊接的方式连接，各组件之间采用螺纹连接的方式组装，并在重要部位采用加固板进行加固。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在组装时按照如下顺序进行以保证作动器出力的对称性：
(1)、首先检查地面是否平坦，不能有明显的凸起或凹地；
(2)、安装底部的三件支腿，以中间的支腿为基准，两侧与之对齐，保证上平面与侧方平行；
(3)、安装横梁或纵梁；假设先安装一侧横梁，以一侧横梁为基准安装另一侧横梁，保证二者的平行度以及两者组成的上平面的平面度；
(4)、安装剩余的纵梁或横梁；安装好两个横梁后，以一侧横梁为基准安装两件纵梁，保证两件纵梁与一侧横梁之间的垂直度及上平面的平面度；
(5)、安装电机靠板、安装调整板，仍以一侧横梁为基准，保证各个电机靠板的位置精度；
(6)、安装剩余的工字钢支腿、限位装置，优先保证安装的稳定性。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤四中，在最后一次参数优化后，电机靠板的第一阶固有频率为366.28Hz，最大受力情况下最大变形为3.34×10-6m，最大mises应力为4.17MPa，均满足使用要求，其约束条件为：在支撑框架底部十四个与地面接触及侧面四个与墙壁接触的一共十八个工字钢支腿的接触表面上施加固定约束；在固定约束下支撑框架的第一阶固有频率为150.45Hz，满足使用要求，其约束条件为：在电机靠板上与安装调整板连接的螺栓面上施加电机的最大出力，在电机靠板的地面施加固定约束。
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