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[摘 要]本文以工程为背景，运用数值方法分析了基础和地基的相互作用，模拟了动力设备基础及周围土体的实际工作机制，模拟了动力设备基础-地基隔振体系的动力响应，以及模拟了动力设备基础周围土体对振动的影响，可以看出，随着隔振器刚度的增加，结构体系的自振频率逐渐提高，设备基础的振动逐渐增大，而设备的振动呈减小趋势，动力设备基础周围土体对基础的振动影响较大，但对隔振台座的振动几乎没有影响。本文的方法和结论较基于单质点模型基础之上的规范方法有更高的精确性和更大的可信度。
中图分类号：TB535+.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）46-0189-01
1 前言
随着科学技术的发展，现代机械加工工业已步入精密与超精密时代。精密设备和仪器是现代工业生产、检测和科学实验的关键设备，然而当环境振动的影响过大时，会造成设备加工质量达不到规定要求，或者仪器检测和实验数据不准，这都将导致严重的后果。因此，解决精密设备的微振动控制问题具有重要意义。防微振技术是指通过对场地选择、地基土处理、建筑结构振动控制、建筑物内外振源隔振、精密设备隔振及对精密设备的微振动主动控制等综合措施，使振动值减少到低于精密设备的容许振动值，使精密设备正常工作[1]。
2 防振措施
在防微振设计中[2]，除了进行专门的控振设计外，还可以采取一些防振措施，从而达到减小振动的目的。根据具体情况，采用的有效措施如下。
1）厂区总体布置及建筑物平面布置应尽量避开有影响的振源，并尽可能利用有利地形，减少振动影响。
2）从建筑结构的柱网、基础、结构构件布置及构件尺寸等方面进行防微振设计和计算，减弱环境振动影响。
3）将动力设备和精密设备分别置于楼层中不同的结构单元内，如设置在缝（伸缩缝、沉降缝、抗震缝）的两侧，这样振源的传递路线要比直接传递长得多，对振动有一定隔离效果。
4）多层厂房的动力设备或精密设备，一般应尽可能布置在底层或地下室，以便充分利用土体及深度的减振作用，减少振动的影响。当楼层上布置动力设备时，要注意使其产生扰力的方向尽量与结构刚度较大的方向一致。
5）注意精密室的地坪设计。为了避免室内工作人员的走动影响精密设备的正常工作，一般采用刚性的混凝土或水磨石地坪；当必须采用木地板时，应将木地板用热沥青与地坪直接粘贴，不应采用在木搁栅上铺木地板的架空作法。
6）管道采用柔性连接和弹性支承，同时应每隔一定距离设置减振吊架或减振支座，可以减少振动的影响。
在防微振设计中，上述防振措施应结合具体工程条件灵活使用。
3 动力设备隔振理论
当动力设备没有采取减振措施时，基础的振动较大，不但影响动力设备本身的使用寿命，而且将致使附近精密设备不能正常工作，因此必须采取措施，使振动的幅值控制在容许范围以内，隔振是其中有效手段之一[3]。规范方法将隔振体系按单自由度计算或双自由度耦合振型计算，对不同振动类型采用不同的动力计算公式并选择不同的计算参数，使得各种振动在计算上没有统一性和普遍性，而且动力设备经波障隔振的计算，更是无法得到准确的解析解[4]，而数值方法则能较好地模拟动力设备隔振体系的计算，可以得到任意点的动力响应时程曲线，特别对复杂的隔振体系较规范方法有更高的精确性和更大的可信度。
根据振动传递的方向的不同，一般把隔振分为两类：①减小由物体扰动而引起的振动，目的在于隔离振源；②减小由基础运动而引起的振动，目的在于隔离响应。两类隔振的概念虽然不同，但都是通过在设备的底座安装隔振器的弹性支撑来实现的。动力设备隔振器的重要作用在于：它具有一定刚度，在振动时有一和振动位移成正比的恢复力；它又有一定阻尼，因此在振动时有一和振动速度成正比的阻尼力，隔振器设计就是使这两个力的矢量和为最小，故隔振器能控制振动的传递。
第一类隔振的传递率等于装有隔振器时作用于基础上的力幅值与无隔振器设备直接作用于基础上的力幅值的比值，即如式（1）所示的传递系数表达式[5]：
（1）
将传递系数表达式绘成曲线形式，可以看出：不论阻尼比多大，只有当频率比时，才小于1，因此要达到隔振目的，隔振器的一阶固有频率的选择必须满足的条件。当时，随着频率比的增大，值也越来越小，即隔振效果越来越好。但值也不宜过大，因为值大，意味着隔振器要设计的很软，静挠度增大，相应的积也要增大，而稳定性会降低。另一方面，当以后，值变化并不明显，根据理论分析和实践经验，一般采用值为2.5～4.5之间，相应的隔振效率为80%～90%。
4 隔振体系的数值模拟
为了比较动力设备基础振动隔振前后的效果，建立隔振台座，共用了4个隔振器，隔振器的参数如下：根据隔振设计原则，取=3≥2.5，由隔振体系质量换算隔振器刚度。
经计算取：，，并根据隔振器的阻尼比=0.10，換算成相应的阻尼系数。
建立隔振体系空间三维有限元模型，并考虑了基础周围土体的作用，为了考察土体及基础对隔振体系的影响，考虑基础周围土体的作用，建立包括基础在内的结构体系，基础看作无限刚体，建立结构体系，弹簧单元固结在基础上，用有限元和规范方法分别进行计算。
建立有限元模型进行计算，从计算结果可以看出：第一阶为X向水平摇摆耦合振动，第二阶为Y向水平摇摆耦合振动，第三阶为扭转振动，第四阶为竖向振动，第五阶为X向水平摇摆耦合振动，第六阶为Y向水平摇摆耦合振动。有限元计算结果表明，考虑土-结构相互作用，体系的自振频率都比其它模型计算的自振频率偏低，但前6阶模态相差不大，说明土体参与振动较少，其振动主要是隔振台座的刚体振动。从计算数据可以看出，水平二谐波扰力比水平一谐波扰力大，但二谐波隔振效果更明显，主要是因为二谐波扰力的频率是一谐波扰力的频率的两倍，其对应的也大，隔振效率也就越高。
5 结论
通过采用隔振技术对动力设备基础进行有限元仿真模拟，可以得到：
①振幅控制量不管是位移还是速度，都有明显的减振效果，其中控制点的X向位移、速度减振效率分别为69.35%、91.56%，Y向位移、速度减振效率分别为68.80%、93.53%，Z向位移、速度减振效率分别为70.97%、92.15%。
②设置隔振器后，设备台座的振动明显变大，因此在进行动力设备积极隔振设计时，在满足设备振动要求的前提下，应使基础的振动越小越好。
③由于隔振器的对称布置，隔振台座的竖向振动是解耦的，水平刚度不变，随着竖向刚度的增大，与竖向刚度相关较大的振型的频率也相应的加大，与竖向刚度相关较小的扭转振型，其频率几乎没有变化。
④观察隔振台座的振动，当隔振器刚度较小时，竖向振动的频率变化基本上与刚度变化呈一定比例，但当隔振器刚度较大时，再增大刚度，台座的振动频率增加较缓慢。
⑤隔振器仅竖向刚度变化时结构体系的振型与三向刚度同时变化时结构体系的振型基本相同，只不过增大隔振器竖向刚度时，与竖向刚度相关较小的振型将提前出现。
参考文献
[1] 巫福胜，姚冉中.精密设备隔振装置验证[J].信息通信.2017（06）：130-132.
[2] 蒋文林.精密设备隔振基础施工技术应用[J].中华建设.2016（09）：150-151.
[3] 洪竹伟.电气控制设备隔振系统设计与探析[J].电力与能源.2016（06）：801-804.
中图分类号：TB535+.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）46-0189-01
1 前言
随着科学技术的发展，现代机械加工工业已步入精密与超精密时代。精密设备和仪器是现代工业生产、检测和科学实验的关键设备，然而当环境振动的影响过大时，会造成设备加工质量达不到规定要求，或者仪器检测和实验数据不准，这都将导致严重的后果。因此，解决精密设备的微振动控制问题具有重要意义。防微振技术是指通过对场地选择、地基土处理、建筑结构振动控制、建筑物内外振源隔振、精密设备隔振及对精密设备的微振动主动控制等综合措施，使振动值减少到低于精密设备的容许振动值，使精密设备正常工作[1]。
2 防振措施
在防微振设计中[2]，除了进行专门的控振设计外，还可以采取一些防振措施，从而达到减小振动的目的。根据具体情况，采用的有效措施如下。
1）厂区总体布置及建筑物平面布置应尽量避开有影响的振源，并尽可能利用有利地形，减少振动影响。
2）从建筑结构的柱网、基础、结构构件布置及构件尺寸等方面进行防微振设计和计算，减弱环境振动影响。
3）将动力设备和精密设备分别置于楼层中不同的结构单元内，如设置在缝（伸缩缝、沉降缝、抗震缝）的两侧，这样振源的传递路线要比直接传递长得多，对振动有一定隔离效果。
4）多层厂房的动力设备或精密设备，一般应尽可能布置在底层或地下室，以便充分利用土体及深度的减振作用，减少振动的影响。当楼层上布置动力设备时，要注意使其产生扰力的方向尽量与结构刚度较大的方向一致。
5）注意精密室的地坪设计。为了避免室内工作人员的走动影响精密设备的正常工作，一般采用刚性的混凝土或水磨石地坪；当必须采用木地板时，应将木地板用热沥青与地坪直接粘贴，不应采用在木搁栅上铺木地板的架空作法。
6）管道采用柔性连接和弹性支承，同时应每隔一定距离设置减振吊架或减振支座，可以减少振动的影响。
在防微振设计中，上述防振措施应结合具体工程条件灵活使用。
3 动力设备隔振理论
当动力设备没有采取减振措施时，基础的振动较大，不但影响动力设备本身的使用寿命，而且将致使附近精密设备不能正常工作，因此必须采取措施，使振动的幅值控制在容许范围以内，隔振是其中有效手段之一[3]。规范方法将隔振体系按单自由度计算或双自由度耦合振型计算，对不同振动类型采用不同的动力计算公式并选择不同的计算参数，使得各种振动在计算上没有统一性和普遍性，而且动力设备经波障隔振的计算，更是无法得到准确的解析解[4]，而数值方法则能较好地模拟动力设备隔振体系的计算，可以得到任意点的动力响应时程曲线，特别对复杂的隔振体系较规范方法有更高的精确性和更大的可信度。
根据振动传递的方向的不同，一般把隔振分为两类：①减小由物体扰动而引起的振动，目的在于隔离振源；②减小由基础运动而引起的振动，目的在于隔离响应。两类隔振的概念虽然不同，但都是通过在设备的底座安装隔振器的弹性支撑来实现的。动力设备隔振器的重要作用在于：它具有一定刚度，在振动时有一和振动位移成正比的恢复力；它又有一定阻尼，因此在振动时有一和振动速度成正比的阻尼力，隔振器设计就是使这两个力的矢量和为最小，故隔振器能控制振动的传递。
第一类隔振的传递率等于装有隔振器时作用于基础上的力幅值与无隔振器设备直接作用于基础上的力幅值的比值，即如式（1）所示的传递系数表达式[5]：
（1）
将传递系数表达式绘成曲线形式，可以看出：不论阻尼比多大，只有当频率比时，才小于1，因此要达到隔振目的，隔振器的一阶固有频率的选择必须满足的条件。当时，随着频率比的增大，值也越来越小，即隔振效果越来越好。但值也不宜过大，因为值大，意味着隔振器要设计的很软，静挠度增大，相应的积也要增大，而稳定性会降低。另一方面，当以后，值变化并不明显，根据理论分析和实践经验，一般采用值为2.5～4.5之间，相应的隔振效率为80%～90%。
4 隔振体系的数值模拟
为了比较动力设备基础振动隔振前后的效果，建立隔振台座，共用了4个隔振器，隔振器的参数如下：根据隔振设计原则，取=3≥2.5，由隔振体系质量换算隔振器刚度。
经计算取：，，并根据隔振器的阻尼比=0.10，換算成相应的阻尼系数。
建立隔振体系空间三维有限元模型，并考虑了基础周围土体的作用，为了考察土体及基础对隔振体系的影响，考虑基础周围土体的作用，建立包括基础在内的结构体系，基础看作无限刚体，建立结构体系，弹簧单元固结在基础上，用有限元和规范方法分别进行计算。
建立有限元模型进行计算，从计算结果可以看出：第一阶为X向水平摇摆耦合振动，第二阶为Y向水平摇摆耦合振动，第三阶为扭转振动，第四阶为竖向振动，第五阶为X向水平摇摆耦合振动，第六阶为Y向水平摇摆耦合振动。有限元计算结果表明，考虑土-结构相互作用，体系的自振频率都比其它模型计算的自振频率偏低，但前6阶模态相差不大，说明土体参与振动较少，其振动主要是隔振台座的刚体振动。从计算数据可以看出，水平二谐波扰力比水平一谐波扰力大，但二谐波隔振效果更明显，主要是因为二谐波扰力的频率是一谐波扰力的频率的两倍，其对应的也大，隔振效率也就越高。
5 结论
通过采用隔振技术对动力设备基础进行有限元仿真模拟，可以得到：
①振幅控制量不管是位移还是速度，都有明显的减振效果，其中控制点的X向位移、速度减振效率分别为69.35%、91.56%，Y向位移、速度减振效率分别为68.80%、93.53%，Z向位移、速度减振效率分别为70.97%、92.15%。
②设置隔振器后，设备台座的振动明显变大，因此在进行动力设备积极隔振设计时，在满足设备振动要求的前提下，应使基础的振动越小越好。
③由于隔振器的对称布置，隔振台座的竖向振动是解耦的，水平刚度不变，随着竖向刚度的增大，与竖向刚度相关较大的振型的频率也相应的加大，与竖向刚度相关较小的扭转振型，其频率几乎没有变化。
④观察隔振台座的振动，当隔振器刚度较小时，竖向振动的频率变化基本上与刚度变化呈一定比例，但当隔振器刚度较大时，再增大刚度，台座的振动频率增加较缓慢。
⑤隔振器仅竖向刚度变化时结构体系的振型与三向刚度同时变化时结构体系的振型基本相同，只不过增大隔振器竖向刚度时，与竖向刚度相关较小的振型将提前出现。
参考文献
[1] 巫福胜，姚冉中.精密设备隔振装置验证[J].信息通信.2017（06）：130-132.
[2] 蒋文林.精密设备隔振基础施工技术应用[J].中华建设.2016（09）：150-151.
[3] 洪竹伟.电气控制设备隔振系统设计与探析[J].电力与能源.2016（06）：801-804.