大型動力離心機設計理論與關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、按照裝備振動臺與否,土工離心機大致可分為靜力試驗離心機和動力試驗離心機(也稱離心機振動臺)兩大類,本文將后者簡稱為動力離心機。動力離心機(Dynamic Centrifuge)是目前國際公認研究巖土地震工程和土動力學最先進、最有效的科學試驗平臺,而我國僅擁有數(shù)臺輔助建設的中小型動力離心機設備,且主要技術(shù)指標與國際存在很大差距。國內(nèi)大型動力離心機則為空白,這與我國遼闊的地域、復雜的工程地質(zhì)條件、高速發(fā)展的經(jīng)濟建設以及嚴峻的地震形勢十分不相

2、稱。大型動力離心機系統(tǒng)十分復雜而龐大,涉及技術(shù)多,成功經(jīng)驗少,建設過程具有問題多、難度大、歷時長、花費高等特點。全球僅有兩臺大型動力離心機,且自建設后一直不斷改進,其中UC Davis大型動力離心機建設周期累計長達16年。國際當前動力離心機研制技術(shù)和試驗技術(shù)均不成熟,尚處于初級發(fā)展階段,而國內(nèi)對大型動力離心機的認識僅限于指標和功能的了解,缺乏系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和設計理論研究。本文以國內(nèi)對大型動力離心機的迫切需要為背景,以工程力學研究所DCI

3、EM-40-300大型動力離心機建設為藍本,就大型動力離心機的設計理論和關(guān)鍵技術(shù)展開研究,確定關(guān)鍵技術(shù)和設計難點,剖析主要難點和關(guān)鍵問題,對其中關(guān)鍵問題進行系統(tǒng)地分析、建模、推導、計算和驗證。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴總結(jié)了國內(nèi)外動力離心機及土工離心機發(fā)展現(xiàn)狀,提出了兩者性能評價指標差異和規(guī)模劃分標準;闡述了動力離心機研制技術(shù)和試驗技術(shù)當前研究進展,指出了國內(nèi)動力離心機發(fā)展的重點方向與趨勢;提出了中國地震局工程力學研究所DCIE

4、M-40-300大型動力離心機設計指標,闡明了其總體規(guī)模和功能特點。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兩臺大型動力離心機設備建設經(jīng)驗、結(jié)構(gòu)組成和設計方法;分析了大型動力離心機系統(tǒng)各部分的機械結(jié)構(gòu)、運動約束及功能條件的內(nèi)在影響和制約;確定了四個子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、設計重點和難點,指出了離心振動臺是整個系統(tǒng)的研制核心。⑶針對大型動力離心機的研制核心,深入研究高振動容量和高振動負載下離心振動臺設計的新問

5、題和主要難點,引進融合國際最新技術(shù),提出了大型離心振動臺整體和主要部件的總設計新方法與基本理論;以DCIEM-40-300大型動力離心機設計指標為樣本,提出了設計思路與基本方法,給出了主要部件結(jié)構(gòu)、參數(shù)確定和元件選型,計算了負載特性及安全校核;建立和求解了等效吊籃質(zhì)量計算模型和公式。⑷以大型離心振動臺總體設計方法為基礎,分等級建立和求解了三種離心振動臺動力分析模型和傳遞函數(shù),給出了三類不同設計條件下離心振動臺液壓機構(gòu)基本動力特性;以DC

6、IEM-40-300設計指標為樣本,利用求解出的傳遞函數(shù),分析了吊籃主要參數(shù)對離心振動臺動力性能的影響規(guī)律,提出了改進離心振動臺動力性能的設計方法。⑸建立了離心振動臺與吊籃伺服控制動力仿真模型,研究了離心振動臺三參數(shù)反饋//輸入伺服控制設計方法,提出了最佳參數(shù)求解標準;給出了動力離心試驗功能要求下,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臺電液伺服控制系統(tǒng)設計的優(yōu)化方法。⑹研究了試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)環(huán)境條件

7、、功能要求及傳感器設計問題,提出了一種多信號類型、不等數(shù)量線制、多通道復用式的大型動力離心試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計方法;研究了理想條件下試驗模型箱的設計要求,給出了多種結(jié)構(gòu)型式,提出了一套柔性剪切模型箱設計新方法和基本理論;提出了試驗圖像采集系統(tǒng)基本設計要求和總體設計方法。⑺研究了設備總體結(jié)構(gòu)布局方法和土建設計關(guān)鍵問題;分析了設備基礎荷載條件和發(fā)生方式,建立了大型動力離心機基礎振動分析模型和計算方法,提出了DCIEM-40-300基礎設計方