大型動(dòng)力離心機(jī)設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、按照裝備振動(dòng)臺(tái)與否,土工離心機(jī)大致可分為靜力試驗(yàn)離心機(jī)和動(dòng)力試驗(yàn)離心機(jī)(也稱離心機(jī)振動(dòng)臺(tái))兩大類,本文將后者簡(jiǎn)稱為動(dòng)力離心機(jī)。動(dòng)力離心機(jī)(Dynamic Centrifuge)是目前國際公認(rèn)研究巖土地震工程和土動(dòng)力學(xué)最先進(jìn)、最有效的科學(xué)試驗(yàn)平臺(tái),而我國僅擁有數(shù)臺(tái)輔助建設(shè)的中小型動(dòng)力離心機(jī)設(shè)備,且主要技術(shù)指標(biāo)與國際存在很大差距。國內(nèi)大型動(dòng)力離心機(jī)則為空白,這與我國遼闊的地域、復(fù)雜的工程地質(zhì)條件、高速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及嚴(yán)峻的地震形勢(shì)十分不相

2、稱。大型動(dòng)力離心機(jī)系統(tǒng)十分復(fù)雜而龐大,涉及技術(shù)多,成功經(jīng)驗(yàn)少,建設(shè)過程具有問題多、難度大、歷時(shí)長、花費(fèi)高等特點(diǎn)。全球僅有兩臺(tái)大型動(dòng)力離心機(jī),且自建設(shè)后一直不斷改進(jìn),其中UC Davis大型動(dòng)力離心機(jī)建設(shè)周期累計(jì)長達(dá)16年。國際當(dāng)前動(dòng)力離心機(jī)研制技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)均不成熟,尚處于初級(jí)發(fā)展階段,而國內(nèi)對(duì)大型動(dòng)力離心機(jī)的認(rèn)識(shí)僅限于指標(biāo)和功能的了解,缺乏系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)理論研究。本文以國內(nèi)對(duì)大型動(dòng)力離心機(jī)的迫切需要為背景,以工程力學(xué)研究所DCI

3、EM-40-300大型動(dòng)力離心機(jī)建設(shè)為藍(lán)本,就大型動(dòng)力離心機(jī)的設(shè)計(jì)理論和關(guān)鍵技術(shù)展開研究,確定關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)難點(diǎn),剖析主要難點(diǎn)和關(guān)鍵問題,對(duì)其中關(guān)鍵問題進(jìn)行系統(tǒng)地分析、建模、推導(dǎo)、計(jì)算和驗(yàn)證。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴總結(jié)了國內(nèi)外動(dòng)力離心機(jī)及土工離心機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀,提出了兩者性能評(píng)價(jià)指標(biāo)差異和規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn);闡述了動(dòng)力離心機(jī)研制技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)當(dāng)前研究進(jìn)展,指出了國內(nèi)動(dòng)力離心機(jī)發(fā)展的重點(diǎn)方向與趨勢(shì);提出了中國地震局工程力學(xué)研究所DCIE

4、M-40-300大型動(dòng)力離心機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo),闡明了其總體規(guī)模和功能特點(diǎn)。⑵密切跟蹤國際相關(guān)技術(shù)最新發(fā)展,剖析了國際上僅有的UC Davis和PWRI兩臺(tái)大型動(dòng)力離心機(jī)設(shè)備建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計(jì)方法;分析了大型動(dòng)力離心機(jī)系統(tǒng)各部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)約束及功能條件的內(nèi)在影響和制約;確定了四個(gè)子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn),指出了離心振動(dòng)臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的研制核心。⑶針對(duì)大型動(dòng)力離心機(jī)的研制核心,深入研究高振動(dòng)容量和高振動(dòng)負(fù)載下離心振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)的新問

5、題和主要難點(diǎn),引進(jìn)融合國際最新技術(shù),提出了大型離心振動(dòng)臺(tái)整體和主要部件的總設(shè)計(jì)新方法與基本理論;以DCIEM-40-300大型動(dòng)力離心機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)為樣本,提出了設(shè)計(jì)思路與基本方法,給出了主要部件結(jié)構(gòu)、參數(shù)確定和元件選型,計(jì)算了負(fù)載特性及安全校核;建立和求解了等效吊籃質(zhì)量計(jì)算模型和公式。⑷以大型離心振動(dòng)臺(tái)總體設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ),分等級(jí)建立和求解了三種離心振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力分析模型和傳遞函數(shù),給出了三類不同設(shè)計(jì)條件下離心振動(dòng)臺(tái)液壓機(jī)構(gòu)基本動(dòng)力特性;以DC

6、IEM-40-300設(shè)計(jì)指標(biāo)為樣本,利用求解出的傳遞函數(shù),分析了吊籃主要參數(shù)對(duì)離心振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力性能的影響規(guī)律,提出了改進(jìn)離心振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力性能的設(shè)計(jì)方法。⑸建立了離心振動(dòng)臺(tái)與吊籃伺服控制動(dòng)力仿真模型,研究了離心振動(dòng)臺(tái)三參數(shù)反饋//輸入伺服控制設(shè)計(jì)方法,提出了最佳參數(shù)求解標(biāo)準(zhǔn);給出了動(dòng)力離心試驗(yàn)功能要求下,現(xiàn)有伺服控制理論拓展液壓系統(tǒng)頻寬和提高穩(wěn)定性的最大能力,探討了大型離心振動(dòng)臺(tái)電液伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法。⑹研究了試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)環(huán)境條件

7、、功能要求及傳感器設(shè)計(jì)問題,提出了一種多信號(hào)類型、不等數(shù)量線制、多通道復(fù)用式的大型動(dòng)力離心試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法;研究了理想條件下試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞脑O(shè)計(jì)要求,給出了多種結(jié)構(gòu)型式,提出了一套柔性剪切模型箱設(shè)計(jì)新方法和基本理論;提出了試驗(yàn)圖像采集系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)要求和總體設(shè)計(jì)方法。⑺研究了設(shè)備總體結(jié)構(gòu)布局方法和土建設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題;分析了設(shè)備基礎(chǔ)荷載條件和發(fā)生方式,建立了大型動(dòng)力離心機(jī)基礎(chǔ)振動(dòng)分析模型和計(jì)算方法,提出了DCIEM-40-300基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方