弹性边界下附加大质量机器楼板振动分析

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随着城市建设快速推进,用电负荷不断增长,在紧缺的用地条件下,如何解决城市中心区域用地稀缺与用电需求之间的矛盾,是摆在政府部门和电力企业面前的重大课题。在这样的实际背景下,附建式变电站以其不独立占地的显著优势应运而生。然而,附建式变电站结构在放置于其楼板上的大质量机器正常运转过程中产生的简谐振动荷载的作用下会产生动力响应,可能会使处于其中的工作人员或者居民产生不舒适感,影响正常的工作生活。这种大质量机器“上楼”影响楼中居民舒适性的现象,除了出现在附建式变电站结构的应用中,也出现在工业厂房、水电站等其他结构中。论文针对这种大质量机器(如变压器)振动荷载对楼板上的振动及减振问题进行了深入的理论和数值分析和研究。本论文研究工作主要包括了以下几个方面:首先,通过查阅大量国内外振动舒适度评价指标,对比各个舒适度指标,总结得到一个适用于附建式变电站振动舒适度评价的指标,即加速度评价指标。其次,利用瑞利-里兹能量法,基于哈密顿变分原理,将矩形薄板体系的位移振型函数代入哈密顿变分方程,通过整理推导出以整体体系的自由振动固有频率为特征值,以位移振型函数中的傅里叶系数组成的向量为特征向量的标准特征方程。通过对不同阶数的附加分布质量矩形薄板的振动控制微分方程进行变换积分,再根据格林公式的定义,推导得出判断附加分布质量的矩形薄板的模态振型正交性的数学公式。在附加分布质量矩形薄板自由振动的基础上,将附加分布质量矩形薄板的横向位移函数分离变量为空间函数(即振型)和时间函数(广义坐标)的积,并利用振型的正交性推导出强迫振动作用下的振动位移响应的表达式。在附加分布质量矩形薄板自由振动的基础上,在附加分布质量下添加隔振弹簧,对附加分布质量矩形薄板的隔振响应进行了讨论分析。再次,用Mathematica和Matlab数学软件自行编程,求解典型边界条件下的模态和瞬态振动特性,并验证其振型的正交性。并以四边简支边界条件下的附加变压器矩形薄板为例,分析了板的厚度、板长宽比、变压器的放置位置、弹性边界刚度四个参数对薄板体系的振动特性的影响。最后,用有限元软件ANSYS建模对四种典型附建式变电站在大质量机器(如变压器、电容器、电抗器)的振动荷载作用下的振动特性进行了数值模拟分析,并将在大质量机器的作用下整体体系的振动加速度与规范限值进行对比。结果表明,振动响应随着楼层高度的增大而减小,若隔振垫刚度选取适当,变压器振动响应可以被控制在舒适度要求内,而电抗器作用下的振动响应仅依靠隔振垫不能满足舒适度要求。
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