[发明专利]一种大型桁架减振动力学优化方法

说明书

技术领域

本发明属于微波暗室测量技术领域，尤其涉及一种大型桁架减振动力学优化方法。

背景技术

天线的理想测量场地是自由空间，使均匀平面波照射被测天线。然而在现代城市中电磁环境日益恶化，要想在高楼林立的现代城市中及其周围建设一个较为理想的天线测量场地是非常困难的。而建设微波暗室是比较理想的选择，它既能够防止外来波的干扰，又能够防止测试系统产生的信号向外辐射，可达到与自由空间比较接近的条件下进行室内测量。因此微波暗室的出现为天线研究及天线测量提供了便利条件。大型扫描架结构是用于微波暗室测量中承载高精度三维采样模块的。作业过程为：桁架在电机激励下沿导轨水平运动一段距离，停止后，采样模块在竖直方向运动，由于惯性力和阻尼力，扫描架在运行时以及停止后会摆动，若扫描架未静止就开始测量，则会降低采样精度，若待扫描架静止后再开始测量，则会降低采样效率，所以，提高桁架结构动态稳定性降低摆动幅值缩短稳定时间是提高扫描架测试精度与测试效率的根本。在大型桁架设计装配过程中，一般都会重点关注各零部件的强度等静力性能是否达到要求，而往往忽视了各部件的动力学性能，或者即使进行了相关的动力学计算也是只从固有频率等条件去判断是否符合要求，而没有结合实际工况考虑其动力性能对实际工作效率的影响。这样设计出的桁架虽然满足强度等要求，但其各部件的动力学性能未必是理想状态，实际作业中，结构极易出现稳定性差、测试精度低以及测试效率低等问题，这对大型扫描架在航天、雷达等领域的应用是极为不利的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型桁架减振动力学优化方法，旨在解决大型桁架振动引起的精度低和动态稳定性低的问题。

本发明是这样实现的，首先建立扫描架参数化有限元模型，如图3所示，施加符合实际工况的约束与载荷分析其静、动力学性能，再根据模态能量法提取对振动贡献较大的模态并分析振型确定薄弱环节，然后针对薄弱环节以结构动力学性能指标为目标进行结构减振动力学优化，优化方法如图4所示，所述大型桁架减振动力学优化方法包括以下步骤：

步骤一，利用有限元软件按照实际几何参数进行合理简化后建立有限元模型；

步骤二，对建立的模型进行模态分析及瞬态动力学分析；

步骤三，根据模态能量法分析各阶模态能量，模态能量法是基于线性模态理论对结构运动模态能量分析的一种方法，该方法可以实时计算和分析物体个运动模态下的能量，结构在某一个运动模下的动能和势能可通过该模态下结构的位移、速度、质量、惯性矩、刚度等实时计算出来，该模态下的动能和势能之和就是模态能量，该模态下的能量占所有能量和的比值，就是模态能量比，通过比较各阶模态的能量比，可以得到各模态对结构运动的贡献情况。所以，将能量比从大到小排序截取占据总能量98％的前三阶模态作为动力学优化的基础，观察振型提取薄弱环节就能很有效地进行优化；

步骤四，在薄弱环节即前三阶阶振型中变形最大的部件处，通过添加梁提高刚度，即加固易变形处，同时为避免增加结构复杂度和质量，需要对所添加的梁进行以质量最小为设计目标，钢的许用应力为约束条件，截面尺寸为设计变量的优化设计；

步骤五，建立优化后的有限元模型，在原有限元模型基础上增加步骤四中添加的梁，选用合适的梁单元并划分为有限单元，然后施加实际工况的等效载荷进行动力学分析，并通过振动幅值和振动时间的提取、处理与优化前的动力学性能相比较以验证优化的有效性。同时，通过结构最大等效应力与材料的屈服极限相比较验证结构强度是否满足条件。

进一步，所述有限元模型梁的复杂截面实体通过自定义截面来建模；梁和实体单元的连接用多点接触法消除奇异。

进一步，所述对建立的模型进行模态分析及瞬态动力学分析确定结构的振动特性。

进一步，所述模态的提取采用分块兰索斯法，通过模态分析得到刚度薄弱环节；通过加载工况分析18米高的塔架在实际工作中的振动情况，提取振动幅值及振动时间。

进一步，所述瞬态动力学分析用于确定承受任意随时间变化载荷时结构响应；瞬态动力学分析中加载的工况为：以2m/s²的加速度启动，速度达到0.2m/s时匀速运动0.4s，最后以2m/s²的加速度匀减速停止；提取最高点的振动情况，偏离平衡位置最大位移为1.4毫米，且5.1秒后趋于稳定。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述大型桁架减振动力学优化方法的大型桁架。