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大型造纸机的基础动力设计蒯行成吴昊茆秋华刘腾喜(湖南大学力学与航空航天学院 , 湖南长沙 , 410082)摘 要 : 介绍了大型造纸机基础动力设计的步骤和振动系统模型 , 重点描述了地基的模拟和荷载的处理 。通过设计实例说明了各步骤的实施 , 最后通过实例比较强调了桩基设置的必要性并对其进行了讨论 。关键词 : 大型造纸机 ; 基础动力设计 ; 振动系统 ; 有限元法中图分类号 : TS734; TU435文献标识码 : A文章编号 : 1000 26842 ( 2009 ) 02 20075 205厂家的声明 , 他们的轴承可用 120 年 ) 。最后通过对几种加固方案的动力分析对比 , 才确定了一种有效的 方案 。如果没有动力分析手段 , 则很难判断哪种方案 有效 。根据动 力 设 计 的 要 求 , 应 对 上 述 的 每 一 部 分(振动系统 ) 建立包括机器 、基础以及地基的分析模 型 [ 1 ] 。本文采用有限元软件 AN SYS建立这样的分析 模型 , 介绍动力分析中的基础理论和分析步骤 , 对动 力分析设计中的若干问题进行讨论 。大 型 造 纸 机 通 常 采 用 框 架 式 基 础 , 包 括 地 面以上的 框 架 、地 面 以 下 的 基 础 梁 或 板 (即 群 桩 的 承台 ) 以及桩 。沿纸机长度方向 (纵向 ) , 通常隔2 0 ～3 0 m 设置沉 降 缝 , 沉 降 缝 将 基 础 分 为 若 干 部 分 , 各部分的 机 器 、基 础 (包 括 框 架 及 桩 ) 以 及地基构成 了 独 立 的 振 动 系 统 。图 1 为 典 型 部 分 的 示意图 。目前 , 国内引进了并仍将引进相当数量的先进大 型造纸机 , 而机器的基础是不能引进的 , 需根据场地 条件进行设计 。基础设计中最主要 的 内容 是动 力 设计 。如果设计不周 , 轻则不能保证纸张质量 , 重则极 易造成机器的损坏 。因此 , 国外机器制造商对基础的 动力设计提出了严格的要求 。如果基础设计由国内设 计人员承担 , 外商将对动力设计结果进行严格审查 , 这也从一个方面证明了基础动力设计的重要性 。基础动力设计的实质是系统的动力分析 。根据笔 者已完成的几个项目看 , 基于静力分析的初步设计一 般很难满足机器基础的动力要求 , 常见的情况是初步 设计或是由于框架基础的柱截面尺寸偏小 , 或是基础 梁 (或板 ) 的底面积偏小以至于地基不能提供足够 的水平刚度 , 这两种情况都会导致系统的固有频率不能满足设计要 求 ; 另 一种 情况 是 仅采 用基 础 梁 (或 板 ) 而不设置桩 基 可以 满足 地 基静 承载 力 要求 , 但 可能会使得地基竖向刚度不足而导致出现显著的摇摆 模态 , 对机器的振动极为不利 。另一工程实例是某项 目在施工中没有通知设计单位就将框架基础上部的一根横向联系梁挪动了位置 , 机器运行中产生了较为强 烈的局部振动 , 导 致 轴承 在半 年 之内 损坏 (按 德 国1 问题描述111 振动系统及荷载图 1为造纸机典型部分及基础示意图 。图中机架 材料为钢材 ; 基础框架 、基础梁或板 (即群桩 的 承 台 ) 和桩为钢筋混凝土材料 。机器 、基础以及 地 基(包括桩和土 ) 构成了振动系统 , 属于典型的土构动力相互作用问题 。- 结图 1 造纸机典型部分及基础示意图收稿日期 : 2008 211 213 (修改稿 )作者简介 : 蒯行成 , 男 , 1950 年生 ; 博士 , 教授 ; 主要研究方向为计算固体力学与工程结构分析 。E2m a il: xckuai@ 1631com76大型造纸机的基础动力设计第 24卷 第 2期图 1 中 , 基 础 梁 或 板 以 上 (包 括 基 础 梁 或 板 )部分称为上部结构 ; 桩及土称为地基 。分析这样的振 动系统通常有两类方法 [ 2 23 ] : 一类方法是将上部结构 及地基全部按有限元离散 [ 4 ] , 为了模 拟地 基的 半 无限特性 , 尽管可以选取合理的人工边界 , 但地基的计 算区域仍需取得相当大 , 这样的三维有限元模型自由 度太多 , 实际动力设计中工作量太大 , 不适于工程设 计 。另一类为子结构法 。子结构法在对模型的处理上 又可分为两种方法 , 一种是取上部结构及桩建立有限元模型 , 承台下土及桩间土则模拟为弹簧和阻尼器 , 这种方法在对桩的处理上似乎更精细 , 但将土模拟为 弹簧和阻尼器并不是一件容易的工作 (主要困难是 不易确定弹簧的刚度和阻尼参数