李春枝，牛寶良，黎啟勝

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)和離心加速度試驗(yàn)一般分時(shí)獨(dú)立進(jìn)行，在實(shí)際工程中，振動(dòng)和離心力通常是復(fù)合在一起的。由于大部分產(chǎn)品的工作環(huán)境是振動(dòng)和線加速度同時(shí)作用的復(fù)合動(dòng)態(tài)環(huán)境，在這種情況下采用分時(shí)獨(dú)立的試驗(yàn)手段無法預(yù)測(cè)復(fù)合環(huán)境下設(shè)備的可靠性，因此利用振動(dòng)離心復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)可預(yù)測(cè)在單一環(huán)境中不能估計(jì)的潛在故障[1]。近年來振動(dòng)離心復(fù)合試驗(yàn)系統(tǒng)的研制得到快速發(fā)展，其中一大部分研究方向是采用振動(dòng)離心土工復(fù)合方法來研究巖土工程，即在高速旋轉(zhuǎn)中增加模擬模型重力的設(shè)計(jì)，以獲得期望模型同等重力，達(dá)到試驗(yàn)研究模擬地震目的[2—8]。在研制大型振動(dòng)離心復(fù)合系統(tǒng)中的振動(dòng)激振系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝非常關(guān)鍵，一般振動(dòng)激振系統(tǒng)設(shè)計(jì)順臂或垂臂安裝在離心機(jī)機(jī)臂上，目前較常見的安裝方式是采用吊籃裝置連接底板安裝振動(dòng)激振試驗(yàn)系統(tǒng)[9—11]。由于激振系統(tǒng)和離心機(jī)結(jié)構(gòu)連接處的剛度、阻尼不同，在高速旋轉(zhuǎn)離心場(chǎng)下，機(jī)臂和振動(dòng)臺(tái)體連接裝置間容易產(chǎn)生振動(dòng)耦合，若離心機(jī)臂擾度和轉(zhuǎn)角太大，會(huì)影響到離心振動(dòng)復(fù)合功能的實(shí)現(xiàn)，可能會(huì)限制復(fù)合系統(tǒng)的某些能力。美國圣地亞實(shí)驗(yàn)室曾通過采用多種激振方式對(duì)不同質(zhì)量的試件開展試驗(yàn)研究，以此獲得振動(dòng)離心試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力及試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)研究了在離心力場(chǎng)下對(duì)采用壓電式激振系統(tǒng)方式的復(fù)合工作能力及其局限性問題[12]。目前有文獻(xiàn)報(bào)道約20多臺(tái)大型離心機(jī)配備了振動(dòng)臺(tái)等動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備[13—14]，由于理論不易真實(shí)地計(jì)算出當(dāng)振動(dòng)激振系統(tǒng)工作時(shí)對(duì)離心機(jī)機(jī)臂等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生耦合響應(yīng)的具體數(shù)值，而且有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)文獻(xiàn)國內(nèi)外報(bào)道較少。因此針對(duì)振動(dòng)離心復(fù)合環(huán)境下對(duì)復(fù)合設(shè)備不同部位開展了比較詳細(xì)的試驗(yàn)研究，獲得了振動(dòng)臺(tái)體、離心機(jī)臂、連接裝置等不同部位的響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和傳遞規(guī)律，為復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模型修改提供了分析依據(jù)。

1 復(fù)合振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)

振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的三維示意如圖1所示，通過離心機(jī)吊籃裝置將振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)底座、控制系統(tǒng)、動(dòng)力油源系統(tǒng)、動(dòng)作系統(tǒng)安裝為復(fù)合振動(dòng)激振系統(tǒng)[15]。采用垂臂安裝方式，臺(tái)體激振方向?yàn)閳D1中z向所示，復(fù)合環(huán)境下的離心機(jī)和振動(dòng)連接裝置會(huì)產(chǎn)生不同的耦合響應(yīng)，若響應(yīng)過大可能會(huì)使機(jī)臂產(chǎn)生垂向振動(dòng)，進(jìn)而影響連接裝置的振動(dòng)特性[15]。文中針對(duì)離心振動(dòng)復(fù)合機(jī)臂、連接裝置振動(dòng)響應(yīng)特性及傳遞規(guī)律開展了試驗(yàn)研究。

圖1 振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)三維圖Fig.1 The 3D schematic of hydraulic vibration system

2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備包括離心-振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)由振動(dòng)加速度傳感器、信號(hào)放大器以及數(shù)據(jù)采集儀組成。試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯吭诓煌x心加速度下結(jié)構(gòu)自身的振動(dòng)響應(yīng)大小以及在振動(dòng)復(fù)合環(huán)境下從臺(tái)體到吊籃連接裝置、機(jī)臂端頭和機(jī)臂中部等的傳遞特性。為研究在不同離心加速度g值下實(shí)現(xiàn)振動(dòng)復(fù)合功能，開展的試驗(yàn)項(xiàng)目包括隨機(jī)復(fù)合振動(dòng)、正弦拍波、地震波試驗(yàn)等。試驗(yàn)測(cè)試方向定義：沿徑向（離心方向）為x向，沿離心機(jī)機(jī)臂切線方向?yàn)閥向，垂直于地基的方向?yàn)閦向。測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示，包括振動(dòng)臺(tái)體、吊籃連接裝置、機(jī)臂端頭、機(jī)臂中部位置。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 振動(dòng)復(fù)合試驗(yàn)及響應(yīng)傳遞比

圖2 測(cè)點(diǎn)位置Fig.2 Measurement points

結(jié)合離心-振動(dòng)復(fù)合工作狀態(tài)及測(cè)試目的分別在臺(tái)體表面、吊籃連接裝置、離心機(jī)機(jī)臂端頭、離心機(jī)機(jī)臂中部部位各安裝一只加速度傳感器，測(cè)量切向（y）、徑向（x）和垂直基座（z）三個(gè)方向的響應(yīng)。表1列出了隨機(jī)振動(dòng)復(fù)合條件下被測(cè)部位的響應(yīng)大小以及沿臺(tái)體到機(jī)臂的傳遞比。從表1可以看出，振動(dòng)響應(yīng)沿臺(tái)體、吊籃連接裝置、機(jī)臂端頭到機(jī)臂中部逐級(jí)變小，在機(jī)臂中部處振動(dòng)響應(yīng)最小，響應(yīng)沿連接裝置到機(jī)臂方向逐漸衰減；臺(tái)體加速度響應(yīng)最大，沿徑向?yàn)?7.7g，切向?yàn)?.41g，垂向?yàn)?.71g；機(jī)臂中部響應(yīng)最小，徑向?yàn)?.09g，切向和垂向分別為0.19g和0.21g。表1數(shù)據(jù)說明了離心機(jī)機(jī)臂的徑向振動(dòng)響應(yīng)小于沿機(jī)臂切向和垂向的響應(yīng)，機(jī)臂切向響應(yīng)小于其垂向的振動(dòng)，說明復(fù)合功能下振動(dòng)導(dǎo)致的機(jī)臂擺振情況存在，但量級(jí)小，基本不會(huì)對(duì)復(fù)合試驗(yàn)系統(tǒng)帶來影響。

表1 振動(dòng)復(fù)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Data of the compound vibration test

通過計(jì)算復(fù)合振動(dòng)響應(yīng)傳遞比，以分析在復(fù)合功能作用下離心機(jī)結(jié)構(gòu)不同部位的振動(dòng)特性傳遞規(guī)律，表2列出了振動(dòng)復(fù)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其與振動(dòng)臺(tái)體表面的徑向、切向傳遞比。從表2可以看出，在離心-振動(dòng)復(fù)合功能運(yùn)行時(shí)，分別沿徑向、切向的響應(yīng)從臺(tái)體、吊籃連接裝置、機(jī)臂端頭到中部的傳遞比呈逐級(jí)衰減規(guī)律。

表2 振動(dòng)復(fù)合試驗(yàn)傳遞比Table 2 The transmissibility in the compound vibration test

3.2 正弦波試驗(yàn)數(shù)據(jù)及加速度傳遞比

通過開展振動(dòng)離心復(fù)合試驗(yàn)的正弦拍波試驗(yàn)，包括20，80 Hz兩個(gè)典型正弦波試驗(yàn)。表3中給出了拍波試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其計(jì)算的加速度傳遞比，可以看出，20 Hz正弦波試驗(yàn)中，機(jī)臂沿垂向的最大加速度響應(yīng)為0.25g，沿切向加速度響應(yīng)為0.34g；吊籃裝置沿垂向響應(yīng)為2.5g，沿徑向響應(yīng)為1.4g。在80 Hz拍波試驗(yàn)中，機(jī)臂沿垂向的加速度響應(yīng)為0.19g，沿切向響應(yīng)為0.64g；吊籃裝置沿垂向響應(yīng)為5.5g，沿徑向響應(yīng)為3.2g。正弦拍波試驗(yàn)中，吊籃沿垂向傳遞比為25%，沿徑向傳遞比為14.5%，沿切向傳遞比為14.5%。離心機(jī)結(jié)構(gòu)沿垂向傳遞比為2.3%，沿切向傳遞比為3.1%。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，傳遞比隨正弦拍波頻率增加而變化。

表3 正弦拍波試驗(yàn)數(shù)據(jù)及傳遞比Table 3 Data and the transmissibility in the sine wave test

3.3 沖擊地震波數(shù)據(jù)及響應(yīng)傳遞比

根據(jù)試驗(yàn)研究目的開展了2次典型沖擊地震波試驗(yàn)，控制加速度實(shí)測(cè)分別為19g和18.2g。表4給出了地震波試驗(yàn)中所得到的離心機(jī)機(jī)臂和吊籃裝置的加速度響應(yīng)及傳遞比結(jié)果，從總體上說，響應(yīng)從吊籃到機(jī)臂是呈衰減規(guī)律。其中，吊籃裝置沿徑向的最大加速度為2.1g，沿垂向最大加速度為4.1g，沿切向最大加速度為1.85g；而機(jī)臂結(jié)構(gòu)沿垂向最大加速度為0.24g，沿切向最大加速度為0.52g。吊籃連接裝置沿垂向最大響應(yīng)傳遞比為21.5%傳遞比，徑向最大響應(yīng)傳遞比為11.1%；機(jī)臂沿垂向最大響應(yīng)傳遞比為9.4%，切向傳遞比為2.9%。

表4 地震波試驗(yàn)數(shù)據(jù)及傳遞比Table 4 Data and the transmissibility in the seismic test

試驗(yàn)結(jié)果表明，在振動(dòng)離心復(fù)合功能運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)響應(yīng)沿臺(tái)體、吊籃連接裝置、機(jī)臂端頭到機(jī)臂中部逐級(jí)衰減，機(jī)臂中部處振動(dòng)響應(yīng)最小，響應(yīng)傳遞比呈逐級(jí)衰減規(guī)律。振動(dòng)復(fù)合試驗(yàn)機(jī)臂沿徑向傳遞比為2.3%，沿切向傳遞比為2.6%。離心機(jī)機(jī)臂的徑向振動(dòng)響應(yīng)小于沿機(jī)臂切向和垂向的響應(yīng)，機(jī)臂切向響應(yīng)小于其垂向的振動(dòng)。這說明復(fù)合功能下振動(dòng)導(dǎo)致的機(jī)臂擺振情況存在，但量級(jí)小，基本不會(huì)對(duì)復(fù)合試驗(yàn)系統(tǒng)帶來影響。根據(jù)正弦拍波試驗(yàn)結(jié)果，機(jī)臂沿垂向傳遞比為2.3%，沿切向傳遞比為3.1%，而機(jī)臂響應(yīng)的傳遞比隨拍波頻率增大而逐漸變化。這說明隨著振動(dòng)復(fù)合試驗(yàn)加載量級(jí)和加載的頻率增大，會(huì)對(duì)機(jī)臂振動(dòng)響應(yīng)產(chǎn)生影響，所以復(fù)合功能試驗(yàn)時(shí)要注意量級(jí)和試驗(yàn)條件加載等問題。地震波試驗(yàn)機(jī)臂沿垂向傳遞比為9.4%，切向傳遞比為2.9%?？梢苑治龅贸?，在離心振動(dòng)復(fù)合功能加載時(shí)所產(chǎn)生的沿機(jī)臂切向扭矩較小，因此它對(duì)離心復(fù)合系統(tǒng)運(yùn)行不會(huì)造成一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

對(duì)離心-振動(dòng)復(fù)合試驗(yàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)下的振動(dòng)臺(tái)體、吊籃連接裝置、離心機(jī)機(jī)臂端頭及機(jī)臂中部的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)情況及傳遞規(guī)律開展了復(fù)合振動(dòng)、正弦拍波及沖擊復(fù)合試驗(yàn)研究。根據(jù)激振系統(tǒng)在不同工況下，測(cè)量臺(tái)體、吊籃連接裝置、離心機(jī)機(jī)臂端頭及中部等加速度并計(jì)算其振動(dòng)傳遞比。試驗(yàn)結(jié)果亦表明振動(dòng)響應(yīng)沿臺(tái)體、吊籃連接裝置、機(jī)臂端頭到機(jī)臂中部逐級(jí)減小，響應(yīng)傳遞比呈逐級(jí)衰減規(guī)律，為今后開展類似復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模型修改提供數(shù)據(jù)支持，具有一定的參考價(jià)值。

[1] 宮曉春，朱曦全，胡彥平.離心振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模[J].強(qiáng)度與環(huán)境，2013，40（3）：15—16.GONG Xiao-chun，ZHU Xi-quan，HU Yan-ping.Dynamical Modeling of Centrifuge Force-vibration Compound Environment Experiment System[J].Journal of Structure&Environment，2013，40（3）：15—16.

[2] 侯瑜京.土工離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)及其試驗(yàn)技術(shù)[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2006，4（1）：15—17.HOU Yu-jing.Shaking Table and Its Experiment Technology of Geotechnical Centrifuge[J].Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2006，4（1）：15—17.

[3] 王永志，袁曉銘，孫銳.40g-t水平單向離心振動(dòng)臺(tái)總體設(shè)計(jì)方法研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2011，31（6）：11—17.WANG Yong-zhi，YUAN Xiao-ming，SUN Rui.The Overall Design Method of the 40g-t Horizontal One-way Centrifugal Vibration Table[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2011，31（6）：11—17.

[4] CRAIG W H.Edouard Phillips and the Idea of Centrifuge Modeling[J].Geotechnique，1989（39）：679—700.

[5] 邢建營，邢義川，梁建輝.土工離心模型試驗(yàn)研究的進(jìn)展與思考[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2005，3（1）：27—31.XING Jian-ying，XING Yi-chuan，LIANG Jian-hui.Progress and Thought about the Research of Geotechnical Centrifuge[J].Journal of Water Conservancy and Construction Engineering，2005，3（1）：27—31.

[6] 周健，劉寧.離心模型試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用的新進(jìn)展[J].上海地質(zhì)，2002（1）：52—56.ZHOU Jian，LIU Ning.New Progress in Application of Centrifugal Model Technology[J].Shanghai Geology，2002（1）：52—56.

[7] BRUCE L，DRISS I M.Design of a Large Earthquake Simulator at UC Davis[C]//Centrifuge 94.Balkema：Rotterdam，1994：169—175.

[8] 于玉貞，陳正發(fā).土工離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的發(fā)展研究[J].水利水電技術(shù)，2005，36（5）：19—21.YU Yu-zhen，CHEN Zheng-fa.A Review on Development of Shaking Table System for Geotechnical Centrifuge[J].Water Presource and Hydroppower Engineering，2005，36（5）：19—21.

[9] 牛寶良，王玨.離心機(jī)上的垂直振動(dòng)臺(tái)時(shí)域建模與仿真[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2012（4）：75—76.NIU Bao-liang，WANG Jue.Time Domain Modeling and Simulation with Vertical Vibration Hydraulic Shaker on Centrifuge[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2012（4）：75—76.

[10]王玨，牛寶良，胡紹全.離心場(chǎng)中二維地震模擬振動(dòng)臺(tái)建模與仿真[J].機(jī)床與液壓，2008（10）：144—145.WANG Jue，NIU Bao-liang，HU Shao-quan.The Modeling and Simulation of a 2D Earthquake Simulation Shaker in Cengtrifuge[J].Journal of Machine Tool and Hydraulics，2008（10）：144—145.

[11]濮家騮.土工離心模型試驗(yàn)及其應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1996 ，18（5）：92—94 PU Jia-liu.The Development of Geotechnical Centrifuge Model Test and Its Application[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1996，18（5）：92—94.

[12]RODGERS J D，CERICOLA F，DOGGETT J W，et al.Vibrafuge：Combined Vibration and Centrifuge Testing[C]//Shock and Vibration Symposium.VA：Virginia Beach，1989.

[13]孫銳，袁曉銘，王永志.NEES系統(tǒng)中振動(dòng)離心機(jī)最新進(jìn)展及國內(nèi)振動(dòng)離心機(jī)發(fā)展設(shè)想[J].世界地震工程，2010（1）：31—39.SUN Rui，YUAN Xiao-ming，WANG Yong-zhi.The Latest Developments in the Vibration Centrifuge and the Development of the Domestic NEES System[J].World Earthquake Engineering，2010（1）：31—39.

[14]ZHANG Xiang-wu.Earthquake Simulation in Geotechnical Engineering[C]//The 9th Academic Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering.Beijing，2003：228—233.

[15]嚴(yán)俠，牛寶良，米曉兵.液壓振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)[J].裝備環(huán)境工程，2008，5（6）：274—275.YAN Xia，NIU Bao-liang，MI Xiao-bing.Integrated Design of Control System of Hydraulic Vibration Table[J].Equipment Environment Engineering，2008，5（6）：274—275.