含惯容减振系统的野外作业平台动力学建模及参数优化设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种含惯容减振系统的野外作业平台动力学建模及参数优化设计方法，包括S1：建立表示地基土与明置圆盘基础之间垂直相互作用的锥体模型，计算地基土与野外作业平台支腿底盘基础动力相互作用的振动阻抗；S2：建立考虑SSI效应的含惯容减振系统的野外作业平台模型的运动控制方程，推导振幅放大因子的解析表达式；S3：以作业平台位移振幅的H

【技术实现步骤摘要】
含惯容减振系统的野外作业平台动力学建模及参数优化设计方法


[0001]本专利技术属于作业平台的减振系统
，具体涉及一种含惯容减振系统的野外作业平台动力学建模及参数优化设计方法。

技术介绍

[0002]野外作业平台作为一种移动性强的多功能升降机械设备，被广泛应用于建筑工地施工、闸门及相关水工金属结构维护、设备与广告安装、飞机场改造、高空清洗等领域。工人作业或机器振动产生的干扰会使作业平台发生振动，从而严重影响工人作业的稳定舒适度及安全性，也会造成作业精度的降低。因此，对作业平台进行减振设计、提高其动力稳定性具有非常重要的意义。当野外作业平台在工地、矿区等环境中高空作业时，特别是在水利工程施工的河滩处，松软的土壤会与作业平台支腿的底盘基础发生动力相互作用，从而改变野外作业平台系统的动力特性。由于减振设计要通过考虑系统的动力特性来调谐，因此土—结构相互作用(Soil
‑
Structure Interaction,以下简称“SSI”)效应在野外作业平台的动力学建模及减振设计中不容忽视。
[0003]动力吸振器是工程实际中一种常用的振动控制结构，由弹簧
‑
阻尼器
‑
质量块组成的经典Voigt型动力吸振器可通过调整附加体系的周期使之与主系统的基本周期相近，实现消耗外部激励能量的目的，从而有效地降低主系统的振幅并拓宽激振频率的适用范围。但是，当作业平台承载重量较大时，要想达到理想的减振效果，Voigt型动力吸振器中的质量块通常也将取较大的值，这大大降低了野外作业平台的可移动性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种含惯容减振系统的野外作业平台动力学建模及参数优化设计方法，解决现有技术中野外作业平台减振设计中存在的两个问题：(1)现有设计由于忽略了在野外作业时的SSI效应而给主系统的动力特性计算带来了误差；(2)现有的传统弹簧
‑
阻尼器
‑
质量块减振系统由于质量大而降低了野外作业平台的移动性能。
[0005]为达到上述目的，本专利技术技术方案如下：
[0006]含惯容减振系统的野外作业平台动力学建模及参数优化设计方法，包括如下步骤：
[0007]S1：建立表示地基土与明置圆盘基础之间垂直相互作用的锥体模型，计算地基土与野外作业平台支腿底盘基础动力相互作用的振动阻抗；
[0008]S2：建立考虑SSI效应的含惯容减振系统的野外作业平台模型的运动控制方程，推导振幅放大因子的解析表达式；
[0009]S3：以作业平台位移振幅的H∞范数为优化目标，优化设计惯容减振系统参数。
[0010]传统的减振系统是用弹簧
‑
阻尼器
‑
质量块来做的，但是文献表明为了达到好的减振效果，这个质量块的质量要很大，那么大质量块会降低这个作业平台的移动性。因此本发
明采用惯容代替质量块。惯容作为一种新型的利用两端点质量单元惯性来实现减振的元件，作用在惯容两端点的力与两端点相对加速度成正比例关系。与传统的动力吸振器相比，惯容所表现出来的惯容质量远远超过本身的物理质量，甚至可以达到数十倍，从而避免了传统动力吸振器中减振元件质量大的缺陷。因此，本申请中，将惯容元件引入野外作业平台的减振设计，建立一个考虑SSI效应的含惯容减振系统的野外作业平台力学模型，并在此基础上以作业平台上部结构位移振幅的H
∞
范数为优化目标，得出惯容减振系统的最优设计参数。本专利技术在保证野外作业平台可移动性的基础上，有效地提高野外作业平台的动力稳定性。
[0011]进一步优化，地基土与野外作业平台支腿底盘动力相互作用可采用振动阻抗来描述两者交界面的力和位移间的关系，即刚度系数和阻尼系数。我国现行的《动力机器基础设计规范》虽然基于大量试验数据的累积和统计，推荐了表征各类地基土与机械设备基础动力相互作用的刚度系数和阻尼系数，但是随着机器转速的提高以及地质条件的多样化，这些推荐参数存在较大的误差。所述步骤S1中，该模型把地基土与野外作业平台支腿底盘的接触面看作一个半径为r0的明置圆盘，用一个顶点高度为z0的截头半无限弹性锥体代替半无限地基；地基土的剪切模量为G
s
，泊松比为υ，剪切波速为V
s
；
[0012]假设支腿底盘在垂直载荷P0的作用下，产生的竖向位移为w0，通过锥体模型理论计算其波传播过程后可得地基土与野外作业平台支腿底盘基础动力相互作用的振动阻抗为：
[0013][0014]式中，明置圆盘基础静刚度无量纲化的刚度无量纲化的阻尼为无量纲频率a0＝ωr0/V
s
，虚数单位ω为特征频率；其中相关参数c＝2V
s
；
[0015]由此可得，弹簧系数K
f
和阻尼系数C
f
为：
[0016]K
f
＝N
·
K
s
K
p
(a0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0017]C
f
＝N
·
K
s
C
p
(a0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，N为分布在野外作业平台左右两侧各有的支腿个数。
[0018]进一步优化，所述步骤S2中，建立含惯容减振系统的野外作业平台模型的运动控制方程的过程如下：
[0019]将野外作业平台的下部基座车身和上部平台分别简化为用m1和m2表示的集中质量块，将两侧升降连接结构等效为刚度为k的弹簧；作业平台的上部平台和下部基座车身之间连接含有惯容m
i
、弹簧k
d
和阻尼c
d
组成的减振系统Y(m
i
，k
d
，c
d
)；
[0020]该减振系统Y包括如下三种形式：
[0021]第一种形式为：弹簧k
d
、阻尼c
d
和惯容m
i
三者串联，记为串联型；
[0022]第二种形式为：阻尼c
d
和惯容m
i
并联后与弹簧k
d
串联，记为混联Ⅰ型；
[0023]第三种形式为：阻尼c
d
和弹簧k
d
并联后与惯容m
i
串联，记为混联Ⅱ型；
[0024]上部平台受到频率为ω、幅值为F的竖向简谐激振Fsin(ωt)的作用，其中t为时间；减振系统各节点自由度用位移x
n
表示，n＝0,1,2,3；根据达朗贝尔原理，三种含惯容减振系统的野外作业平台力学模型的运动控制方程如下：
[0025]含串联型惯容减振系统的野外作业平台运动控制方程：
[0026][0027]含混联I型惯容减振系统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.含惯容减振系统的野外作业平台动力学建模及参数优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：建立表示地基土与明置圆盘基础之间垂直相互作用的锥体模型，计算地基土与野外作业平台支腿底盘基础动力相互作用的振动阻抗；S2：建立考虑SSI效应的含惯容减振系统的野外作业平台模型的运动控制方程，推导振幅放大因子的解析表达式；S3：以作业平台位移振幅的H
∞
范数为优化目标，优化设计惯容减振系统参数。2.根据权利要求1所述的含惯容减振系统的野外作业平台动力学建模及参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，该模型把地基土与野外作业平台支腿底盘的接触面看作一个半径为r0的明置圆盘，用一个顶点高度为z0的截头半无限弹性锥体代替半无限地基；地基土的剪切模量为G
s
，泊松比为υ，剪切波速为V
s
；假设支腿底盘在垂直载荷P0的作用下，产生的竖向位移为w0，通过锥体模型理论计算其波传播过程后可得地基土与野外作业平台支腿底盘基础动力相互作用的振动阻抗为：式中，明置圆盘基础静刚度无量纲化的刚度无量纲化的阻尼为无量纲频率a0＝ωr0/V
s
，虚数单位ω为特征频率；其中相关参数由此可得，弹簧系数K
f
和阻尼系数C
f
为：K
f
＝N
·
K
s
K
p
(a0)
ꢀꢀꢀꢀ
(2)C
f
＝N
·
K
s
C
p
(a0)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，N为分布在野外作业平台左右两侧各有的支腿个数。3.根据权利要求2所述的含惯容减振系统的野外作业平台动力学建模及参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，建立含惯容减振系统的野外作业平台模型的运动控制方程的过程如下：将野外作业平台的下部基座车身和上部平台分别简化为用m1和m2表示的集中质量块，将两侧升降连接结构等效为刚度为k的弹簧；作业平台的上部平台和下部基座车身之间连接含有惯容m
i
、弹簧k
d
和阻尼c
d
组成的减振系统Y(m
i
，k
d
，c
d
)；该减振系统Y包括如下三种形式：第一种形式为：弹簧k
d
、阻尼c
d
和惯容m
i
三者串联，记为串联型；第二种形式为：阻尼c
d
和惯容m
i
并联后与弹簧k
d
串联，记为混联Ⅰ型；第三种形式为：阻尼c
d
和弹簧k
d
并联后与惯容m
i
串联，记为混联Ⅱ型；上部平台受到频率为ω、幅值为F的竖向简谐激振Fsin(ωt)的作用，其中t为时间；减振系统各节点自由度用位移x
n
表示，n＝0，1，2，3；根据达朗贝尔原理，三种含惯容减振系统
的野外作业平台力学模型的运动控制方程如下：含串联型惯容减振系统的野外作业平台运动控制方程：含混联I型惯容减振系统的野外作业平台运动控制方程：含混联II型惯容减振系统的野外作业平台运动控制方程：4.根据权利要求3所述的含惯容减振系统的野外作业平台动力学建模及参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，推导振幅放大因子的解析表达式的过程如下：引入如下参数：引入如下参数：将其代入上述运动控制方程中，进行拉普拉斯变换后求解得到上部平台的位移：其中：i＝1，2，3分别对应串联型惯容减振系统、混联I型惯容系统、混联II型惯...

【专利技术属性】
技术研发人员：王珏，叶会然，蒋涛，张莹，张玉全，戴庆云，
申请(专利权)人：江苏省秦淮河水利工程管理处江苏省骆运水利工程管理处，
类型：发明
国别省市：