精密仪器厂房隔振沟隔振效应分析

邹旭岩，李 燚，黄光辉

(1.郑州工程技术学院 土木工程学院，河南 郑州 450044；2.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001；3. 中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，河南 郑州 450001)

精密仪器厂房隔振沟隔振效应分析

邹旭岩1，李 燚2，黄光辉3

(1.郑州工程技术学院 土木工程学院，河南 郑州 450044；2.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001；3. 中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，河南 郑州 450001)

隔振沟是解决复杂环境激励下工程结构精密致稳的有效措施，采用ABAQUS软件建立某先进光源工程隔振沟的二维有限元模型，分析了隔振沟位置、深度、宽度及填充材料对减振效果的影响，进而研究隔振沟数量及设置形式对减振效果的影响。结果表明：隔振沟位置越靠近激振点和拾振点，其减振效果越好；在一定范围内，随着隔振沟深度增大其减振效果逐渐增强，而隔振沟宽度对其减振效果影响不大；选择填充物越硬(剪切模量)其减振效果越好；随着隔振沟数量的增加减振效果有明显改变，对不同深度的隔振沟，其减振效果取决于埋深大的隔振沟。

精密仪器厂房；隔振沟；ABAQUS；隔减振控制

Abstract： Vibration isolation ditch is an effective measure to solve the stability of engineering structure under complex environment excitation. Using ABAQUS software to establish a two-dimensional finite element model of the vibration isolation ditch of an advanced light source project, the influence of the location, depth, width and filler material of the vibration isolation ditch on the damping effect is analyzed, and the influence of the number and the form of the vibration isolation ditch on the damping effect is studied. The results show that the position of the vibration isolation groove is closer to the exciting point and the vibration point. The better the damping effect is, the more the vibration damping effect increases with the depth of the vibration isolation ditch, and the width of the vibration isolation ditch has little effect on its damping effect. The more hard the filler is, the better the damping effect will be. With the increase of the number of vibration-isolating ditch, the effect of vibration damping is obviously changed, and the vibration-damping effect of the vibration isolation ditch depends on the depth of the vibration isolation ditch.

Keywords： precision instrument workshop; vibration isolation ditch; ABAQUS; vibration isolation control

随着人类社会的发展和进步，人们对精密仪器和精密设备需求越来越多，尤其是光学工业、感光化学、航空航天和半导体工业，已经步入精密、超精密时代，而精密仪器设备对环境的要求也越来越高。众所周知振动无处不在，像周围道路上的车辆，工作人员操作仪器和走动时产生的振动以及地面产生的地震动等，对于振敏型精密仪器，振动不仅影响到仪器的正常工作，还影响到设备的使用寿命、操作人员的正常工作以及仪器所在载体的生命力。这些精密仪器工作环境的共同特点为激励频带较宽，一般为0～100 Hz，甚至更高[1-3]。因此，解决此类精密设备、仪器仪表在宽频域激励下的防微振和抗冲击问题已成为一项迫切的前沿课题。而隔振沟作为精密设备厂房的第一道隔振措施，具有施工简便、经济高效的特点，因而对隔振沟隔振效果的分析是十分必要的。

一些学者对隔振沟的隔振效果进行了研究：在国外，Ahamd[4]等成功地采用时域或频域边界元对二维均质地基空沟和填充沟进行了详细分析，并提出了许多空沟和填充沟的隔振设计准则； Sivakumar Babu[5]等对隔振沟进行了现场振动测试并使用有限差分和二维数值分析工具FLAC 5.0建立有效的隔振系统；Beskos[6]等进行了地面振动在隔振沟条件下平面应变数值模拟研究；Celebi[7]等分析了隔振沟对列车运行引起的地面振动的隔振效果；Klein[8]等利用计算结果和实测数据分析了明沟隔振的情况下不同参数对振幅的影响；Dasgupta[9]等对从地面隔离结构的透射波在三维背景下的空沟和填充沟进行数值模拟研究。在国内，时刚[10]等建立了以薄层法(TLM)基本解作为动力Green函数的饱和土半解析边界元法，分析了饱和地基中二维填充沟远场被动隔振；王晓[11]等通过运用ANSYS软件建立了三维有限元模型对隔振沟隔振效果进行了分析。

综上所述，国内外学者对隔振沟及其隔振效应进行了大量研究，但主要是围绕单隔振沟的隔振效应开展的相关研究，而对于隔振沟数量、沟间距以及填充物性质对其隔振效应影响则少有研究。因此，本文以某高能同步辐射光源厂房为对象，通过ABAQUS建立平面二维有限元模型，基于单隔振沟位置、深度、宽度及填充物性质等参数对其隔振效应影响分析，进而对隔振沟数量、沟间距及沟间相对深度等参数对其隔振效应影响进行分析，以期给出隔振沟最佳隔振效果的隔振方案，并为后续隔减振工作提供相关数据。

1 精密仪器厂房整体隔振方案及激励分析

1.1工程项目背景及隔减振方案

高能同步辐射光源(High Energy Photon Source，缩写HEPS)作为国家大型科学装置，是前沿基础科学、工程物理和工程材料等多学科战略技术研究不可或缺的大型综合科学平台，是世界光源发展领域竞争的制高点。本文研究依托对象(某先进光源)，其设计参数和性能将优于世界上目前正在运行和建设的同步辐射装置。由于振荡器中电子束的轨道变化须控制在远小于电子束斑的水平，而底板的不均匀沉降和场地微振动则是导致束流轨道变化的两大关键性外部因素。因此，为确保该光源的稳定度，降低周围环境激励对其振动影响，采用了厂房整体隔振和光源平台减振相结合的混合控制方案如图1所示。本文对作为保障该光源稳定工作的第一道防线——隔振沟进行了隔振效应分析。

图1 某光源厂房隔振沟隔振示意图

1.2环境激励分析及模拟

光源厂房周围环境激励复杂，调查发现其激励频带较宽，在0～100 Hz，甚至更宽，这与军工设备环境相类似，故本文采用《军用设备环境试验方法振动试验》GJB150.16-1986中所给出的功率谱试验量值曲线作为该厂房隔振分析的激励源数据，对光源厂房隔振沟的隔减振效果进行分析。图2为本文分析用功率谱曲线(60 min/1 600 km，总均方根值为1.04 G；10 Hz，0.015 g2/Hz；40 Hz，0.015 g2/Hz；500 Hz，0.000 15 g2/Hz)，为了便于分析，利用MATLAB软件编写相应程序[12]，将该功率谱转化成时程谱，如图3所示。

图2 垂直轴功率谱试验量值

图3 加速度时程

2 隔振效应分析模型建立

图4 模型示意图(单位：m)

以光源所在场地条件，取长140 m、深50 m区域，利用ABAQUS有限元软件建立平面二维有限元模型(见图4)。其中，所选深度范围内各层土体参数见表1。由于采用有限元模型用有限边界模拟半空间无限边界的土体，激励在传播中遇到有限元边界的时候会产生反射、折射现象，影响土体对激励的响应。为了减小由于边界影响产生的误差，模型边界采用黏弹性人工边界，即在边界AB和边界CD上添加弹簧和阻尼器以模拟土的刚度并吸收能量，减少边界对激励的反射和折射。图4中M点为激振点，N点为拾振点，将图3中的加速度时程谱输入，对隔振沟减振效果进行分析。

表1 土层参数

3 单隔振沟隔振效应分析

3.1位置影响分析

图5 不同位置隔振沟隔振效果

取隔振沟深度为30 m，宽度为1 m，隔振沟的位置距拾振点的距离分别取10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m、90 m。在激振点M处施加激励，提取拾振点N处的加速度和位移时程响应曲线，分析隔振沟所处位置不同对其减振效果的影响。N点处的加速度和位移所对应的峰值曲线见图5。从图5中可以看出，加速度峰值随隔振沟与激振点距离或拾振距离的增加而增大，且整体呈对称分布：远离激振点或拾振点时，加速度响应峰值较大，靠近激振点或拾振点时响应越小；而位移峰值响应曲线整体上保持不变，仅在距激振点80 m处有一突变，此处区域可能产生了响应增强。以上分析说明，隔振沟宜设置在激振点或拾振点附近区域。

3.2深度影响分析

图6 不同深度隔振沟的隔振效果

在上述位置影响分析的基础上，将隔振沟分析位置取为距拾振点N 10 m处，宽度为1 m，分析隔振沟取不同深度(5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m) 时的隔振效果。不同深度时，拾振点N处的加速度和位移峰值曲线见图6，从图6中可以看出，加速度和位移峰值均随隔振沟深度的增加而迅速减小，其中，30 m处的位移峰值较5 m处减小了90%；当深度超过30 m以后，加速度和位移峰值变化趋于平缓。图7为隔振沟深度在5 m、15 m、30 m时的加速度和位移时程响应曲线，从图中可以看出，随着隔振沟深度的增加，其加速度和位移幅值明显减小。上述分析表明：深度对隔振沟减振效果影响较为明显，但达到一定深度后(30 m)，虽然隔振效果有所增加，但是增加速度较为缓慢。

图7 不同深度加速度时程曲线和位移时程曲线

3.3宽度影响分析

在隔振沟位置和深度影响分析的基础上，对距拾振点N为10 m，深度为30 m，不同宽度(1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m)隔振沟的减振效果进行分析。图8为其加速度和位移峰值曲线，从图中可以看出，位移峰值随隔振沟宽度的增加，其值有所减小；而加速度峰值变化不大，且规律性不明显。上述分析表明：隔振宽度对其减振效果影响较小。因此，在考虑隔振沟减振设计时，可结合实际工程作为次要条件考虑。

图8不同宽度隔振沟的隔振效果图9不同剪切模量隔振沟的隔振效果

3.4填充物材性影响分析

为了保证隔振沟的安全，往往需要在隔振沟中填充一些支撑材料，因而填充材料的性质势必会对隔振效果产生一定影响，所以探明隔振沟填充材料性质对隔振效果影响是隔振沟设计的重要环节。由结构运动方程可知，刚度对响应结果有着重要影响，故本文直接将填充材料的剪切模量作为参数，分析具有不同剪切模量特性的填充材料对其减振效果的影响。由于剪切模量范围较广，分析数量较大，这里采用不均匀取值，剪切模量分别取200 MPa、400 MPa、800 MPa、1 000 MPa、2 000 MPa、3 000 MPa、4 000 MPa、6 000 MPa、8 000 MPa，填充材料密度为2 500 kg/m3，泊松比为0.15。

图9为不同剪切模量填充材料的加速度和位移峰值曲线。从图9可以看出，填充材料的剪切模量低于1 000 MPa时，其峰值随剪切模量的增大而明显降低；当大于1 000 MPa时，曲线变化趋势变缓。上述分析表明：隔振沟填充材料的剪切模量对隔振沟的隔振效果影响较大，在一定范围内，隔振沟的隔振效果随剪切模量的增大而增大。

4 多隔振沟隔振效应分析

基于隔振沟位置、深度、宽度和填充物性质对其减振效果的影响分析，进而讨论隔振沟数量和设置形式对其减振效果的影响。

4.1隔振沟数量影响分析

分析隔振沟数量对其减振效果影响时，按以下原则设置隔振数量及间距：基于单隔振沟隔振效应分析，选定首条隔振沟(深度为30 m，宽度为1 m)位于拾振点10 m处，分析第二条隔振沟依次间距第一条隔振沟10 m时，对其减振效果的影响；分析第三条隔振沟效应时，在两条隔振沟最佳减振效应的基础上，按上述原则依次变换第三条隔振沟的位置，分析其对减振效果的影响；第四条隔振沟效应影响分析时亦按上述原则选取。

图10 不同数量隔振沟加速度峰值曲线和位移峰值曲线

图10为单、双、三、四条隔振沟不同位置所对应的加速度峰值曲线和位移峰值曲线。由图10(a)可以看出，随着隔振沟数量的增加，隔振沟减振效果越明显，这说明隔振沟数量的增加，有利于加速度峰值的削弱。位移峰值曲线变化较为复杂，分析原因：当隔振沟接近时，激励在隔振沟之间反射、折射和衍射，从而导致位移幅值增大异常。整体来看单、双、四条隔振沟的位移峰值逐渐减小，其隔振效果逐渐增强，三隔振沟的位移峰值波动比较大，甚至远超过双隔振沟，所以综合考虑隔振沟数量增加所造成的经济投入与其隔振效果相比，建议采用双隔振沟较为合理。

4.2隔振沟参数设置影响分析

基于上述分析结果，分析当采用双隔振沟时，两条隔振沟不同深度对其减振效果的影响。在分析双隔振沟的深度变化对隔振沟隔振效果的影响时，基于双隔振沟最优位置的分析，固定其中一条隔振沟的深度(30 m)和宽度(1 m)，依次改变另一条隔振沟的深度(以5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m变化)。图11为双隔振沟时第一条和第二条隔振沟不同深度的加速度峰值曲线和位移峰值曲线(其中，隔振沟1为距拾振点10 m处的隔振沟，隔振沟2为距拾振点60 m处)。

由图11中的加速度峰值曲线可以看出，双隔振沟在30 m之前其隔振效果优于单隔振沟，30 m之后单双隔振沟相差不大。分析位移峰值曲线发现，双隔振沟的位移峰值不随深度的改变而变化。隔振沟深度30m之前，位移峰值小于单隔振沟且几乎不发生变化，在30 m之后，双隔振沟的位移峰值与单隔振沟相差无几，说明当双隔振沟其中一条隔振沟深度发生变化时，隔振沟的隔振效果变化不大，其隔振效果主要由埋深大的隔振沟承担。因此，在需设置双隔振沟时，其深度应尽量接近，否则无法充分发挥多沟的隔振效果。

图11 单、双隔振沟不同深度隔振效果

5 结论

本文采用ABAQUS软件建立了某先进光源工程隔振沟有限元模型，分析了隔振沟位置、深度、宽度及填充材料特性，以及隔振沟数量和设置形式对其减振效果的影响，得出以下结论：

(1)隔振沟位置越靠近激振点和拾振点，其减振效果越好；在一定深度范围内，其减振效果随隔振沟深度增加而增强，但超过30 m时，减振效能逐渐变缓；而隔振沟宽度对其隔振效果影响不大。

(2)填充物的性质对其隔振效果影响较大，在一定范围内，其剪切模量越大，隔振效果越明显。

(3)随着隔振沟数量的增加，其隔振效果在相应位置有明显增加，考虑经济性因素，在需要设置多沟时，可选择双隔振沟进行减振，且其减振效果主要取决于埋深大的隔振沟，建议双隔振沟深度宜接近。

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Vibrationisolationeffectofisolationtrenchforprecisioninstrumentfactory

ZOU Xu-yan1, LI Yi2, HUANG Guang-hui3

(1.SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouInstituteofTechnology,Zhengzhou450044,China; 2.SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China; 3.ThefourthBranchofChinaCommunicationConstructionGroupDesignInstituteCo.Ltd.,Zhengzhou450001,China)

2017-06-30

郑州市科技攻关计划项目(153PKJGG142)

邹旭岩(1983—)，女，河南南阳人，硕士，讲师。

1674-7046(2017)04-0036-07

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.04.007

TU274.9

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