高性能主动隔振系统结构动力学分析与设计研究

发布时间：2019-09-06 17:43

【摘要】：广泛应用于IC光刻、超精密加工与测量等领域的高性能隔振是保障这些高端制造装备／仪器工作性能的关键技术之一。由于不同装备／仪器对环境振动隔离的要求有所区别,隔振系统结构设计必须平衡其隔振性能需求与制造经济性的关系,具体需要解决以下两大问题：低固有频率与高承载力矛盾的问题、低共振点传递率与宽频域高衰减率矛盾的问题。为此,本论文针对三种典型精密设备的隔振需求,从隔振机构动力学分析、系统结构设计以及实验验证三个方面展开深入研究,力求为高性能隔振系统的设计制造提供理论依据。 针对隔振系统经济性设计这一目标,利用独立分量分析方法、离散傅立叶变换原理,给出了微振动在VC振动评价标准下的快速评级方法。建立了隔振系统的动力学模型,提出了被动隔振结构与天棚阻尼相结合的隔振策略,解决了低共振点传递率与宽频域高衰减率矛盾的问题。基于环境振动情况以及精密设备类型的不同,将隔振系统分为超低频隔振(≤1Hz)、低频隔振(≤2Hz)以及一般隔振(≤5Hz)三类,从系统层面为高性能隔振系统设计提供依据。 在超低频隔振系统结构设计中,为解决低固有频率与高承载力的矛盾,提出了正、负刚度机构并联的隔振策略。研究了负刚度机构的动力学特性,其立方非线性引起的“跳跃现象”会使系统幅值陡增,为此,通过参数分析与优化获得了负刚度机构最小非线性构型。在此基础上,设计了基于永磁负刚度与倒立摆负刚度机构的超低频主动隔振系统结构,实现了多自由度超低频隔振。样机隔振性能测试结果表明,其结构固有频率约为1Hz,传递率在2Hz以后低于-20dB,在10Hz以后低于-40dB。 在低频隔振系统结构设计中,为克服线性刚度弹簧存在的刚度和静变形权衡的问题,采用空气弹簧和摆机构作为低频隔振单元,通过理论建模-仿真分析-实验研究相结合的方法,揭示了结构参数对其动力学特性的影响规律,为低频隔振系统结构设计提供了理论指导。建立了系统动力学方程,分析了传感器、作动器配置的合理性。样机性能测试结果表明,其结构固有频率低于2Hz,固有频率处传递率小于-5dB。 在一般隔振系统结构设计中,考虑到制造经济性采用了螺旋弹簧作为隔振元件。提出了基于粒子群算法的螺旋弹簧设计方法,优化了其结构参数。采用箱式构型设计了高刚性轻量化的工作台结构,保障了其在隔振系统中的应用。样机传递率测试曲线表明,结构固有频率低于5Hz。 本文的研究内容、方法和结论对满足不同精密设备在不同应用场合下要求的隔振系统结构的设计具有一定的现实指导意义。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB535.1

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本文编号：2532759