Численное моделирование нелинейной системы виброзащиты трансмиссионного электронного микроскопа

Численное моделирование нелинейной системы виброзащиты трансмиссионного электронного микроскопа

В.Л.Мондрус, В.А.Смирнов

Характерной особенностью современного прецизионного исследовательского и производственного оборудования является как высокая точность позиционирования рабочего инструмента, так и значительная чувствительность к колебаниям основания. Современные электронные микроскопы имеют разрешение 1,5 - 0,05 нм, а высокоточные фрезерные и шлифовальные станки способны обрабатывать металлические заготовки до шероховатости 0,1 - 5 мкм. Соразмерно точности возросли требования по виброзащите такого оборудования. В отечественных рекомендациях [1] установлена максимальная амплитуда скоростей колебаний основания на отметке 0,01 мм/с для оборудования класса 1, а в зарубежных рекомендациях [2] для того же типа оборудования критерий VC-C - VC-E регламентирует среднеквадратическую скорость колебаний основания на отметке 12,5 - 3,1 мкм/с соответственно. Естественно, в любом месте строительства присутствует свой собственный уровень низкочастотных колебаний основания, более того, в здании всегда имеются неустранимые источники вибрации (пешеходная активность, работы систем ОВК и т.д.). Для эффективной виброзащиты от низкочастотных возмущений желательно иметь крайне низкую частоту собственных колебаний виброизолированной установки. Изготовление и эксплуатация виброизолированной системы с линейной упругой характеристикой, обладающей собственной частотой колебаний ниже 2 Гц, сопряжены с большими техническими трудностями. Например, однокаскадная система виброзащиты должна содержать инерционный блок,

который в зависимости от типа оборудования может весить от 50 до 100 т. Таким образом, установка высокоточного оборудования на линейную систему в существующем здании невозможна без кардинального изменения его конструктивной схемы, что связано со значительными материальными вложениями. Напротив, если упругая характеристика виброизоляции нелинейна, то параметры упругих элементов можно подобрать таким образом, чтобы жесткость системы в некотором диапазоне перемещений виброизолированного объекта равнялась нулю [1]. Габариты и масса такой виброзащитной системы мала, а эффективность по сравнению с линейной системой значительно выше.

В работе [6] нами рассматривался вопрос виброзащиты трансмиссионного электронного микроскопа от низкочастотных колебаний основания, вызванного естественным фоном города с применением линейной виброзащитной системы. Общий вид виброзащитной системы микроскопа и данные натурных замеров представлены на рис. 1 по материалам [3].

Виброзащитная система состоит из железобетонного инерционного блока массой 60 т, опирающегося на 10 пнев-моамортизаторов и 4 активных демпфера (рис. 2).

Размер всей виброзащитной системы в плане составляет 3,65 х 4,26 м, масса системы с микроскопом - более 66 т, при этом требуется постоянный подвод энергии для системы активного демпфирования, а также сжатого воздуха для пневмоамортизаторов. Такая система сочетает в себе как простоту расчета, так и высокие материальные затраты, по-

а)

Elmrlij J bam F"í

I_ ТгюПи 1 IP е™ щ

1

6)

1/3 Octave Band Frequency

Рис. 1. Виброзащитная система микроскопа (а) и спектр вертикальных виброперемещений (б) площадки-застройки

скольку требует устройства дополнительного фундамента и несущих конструкций. Поэтому в случае устройства виброзащиты отдельного станка или микроскопа в существующем здании такой метод неприемлем. Более того, многие исследовательские лаборатории располагаются не на первом, а на более высоких этажах, что делает невозможным применение однокаскадных систем виброизоляции типа рассмотренной выше [3,6]. В связи с этим возникает необходимость разработки качественно новых типов виброзащитных систем. Их упругая характеристика должна быть нелинейна; в этом случае параметры линейных упругих элементов можно подобрать таким образом, что жесткость системы в определенном диапазоне статических перемещений виброизолированной массы будет равна 0 [1]. Этим условиям удовлетворяют системы квазинулевой жесткости. Они предполагают, что в определенном диапазоне перемещений около статического положения равновесия жесткость системы будет на несколько порядков ниже жесткости вертикального упругого элемента, а в положении статического равновесия жесткость системы

равна 0. Расчетная схема представлена на рис. 3а, а жесткост-ная характеристика виброзащитной системы квазинулевой жесткости - «фермы Алабужева» при различных параметрах системы - на рис. 3б.

Статический расчет «фермы Алабужева» проведен в работах [2,3], динамический расчет - в работе [7], и здесь они рассматриваться не будут.

В данной статье исследуются свойства виброзащитной системы трансмиссионного электронного микроскопа при использовании виброизолятора квазинулевой жесткости. Расчеты проводились в программном комплексе МКЭ МБС Ра^ап.

В случае замены пневмоамортизаторов и массивного инерционного блока на металлический короб расчетная схема принимает вид, как на рис. 4.

Распределительный короб на рис. 4 представляет собой металлическую ребристую конструкцию, в которую помещается микроскоп. Короб опирается на четыре виброизолятора квазинулевой жесткости, расположенных по краям. Упругая характеристика такого виброизолятора нелинейна, так что

Рис. 2. Упругие и демпфирующие элементы виброзащитной системы

Рис. 4. Модель распределительного металлического короба в ПК MSC Patran

Рис. 3. Жесткостная характеристика «фермы Алабужева»

Рис. 5. Результаты модального анализа первых четырех форм колебаний

жесткость в рабочем положении имеет пренебрежимо малые значения [5]. Конструкция короба позволяет совместить центр тяжести системы микроскоп-короб с центром жесткости виброизоляторов.

Результаты модального анализа системы представлены на рис. 5.

Характерным отличием рассматриваемой виброзащитной системы от применяемой в [3, 6] является на порядок меньшее значение первой частоты колебаний, которое составляет 0,02 Гц вследствие малой жесткости нелинейной виброзащитной системы. Более высокие частоты связаны с колебаниями распределительного короба, причем уже первая частота - 14,8 Гц находится в области внешнего воздействия, что требует некоторого увеличения жесткости конструкции короба.

Динамический анализ с учетом нелинейной упругой характеристики виброизолятора (рис. 6) производился по процедуре SOL 129 в ПК MSC Patran, результаты анализа представлены на рис. 7. Можно видеть, что максимальные

Рис. 6. Нелинейная упругая характеристика виброизолятора

Рис. 7. Нелинейный динамический анализ виброзащитной системы

амплитуды вынужденных колебаний виброзащитной системы оказываются как минимум в два раза меньше, чем у эталонной системы [3, 6], составляя около 0,5 мкм/с. Более того, масса рассматриваемой виброзащитной системы меньше эталонной в 73 раза и имеет меньшие габариты.

Следует отметить, что в данной виброзащитной системе установившееся решение получено уже на пятой секунде вместо восемнадцатой у эталонной системы. Меньшее время затухания повышает эффективность виброзащитной системы при широкополосном внешнем воздействии.

Результатами аналитического расчета и численного моделирования подтверждено, что рассматриваемая виброзащитная система может применяться для виброзащиты высокоточного оборудования от низкочастотных колебаний основания с выполнением требований 1-го класса по отечественным рекомендациям [1] или по зарубежным критериям VC-E [2]. B связи с уменьшением массы и габаритов виброзащитной системы при создании или переоборудовании существующих исследовательских лабораторий или высокоточных производств отпадает необходимость вмешательства в конструкцию существующего здания, что значительно снижает стоимость выполнения комплекса работ.

Литература

1. Рекомендации по виброзащите несущих конструкций производственных зданий/ЦНИИСК им. B.A. Кучеренко. М., 1988.

2. Amick H., Gendreau Busch Т. Evolving Criteria for Research Facilities: Vibration // Proceedings of SPIE Conference 5933: Buildings for Nanoscale Research and Beyond. San Diego, 2005. July 31-August 1.

3. Evans J.B. Pneumatically Isolated Inertia Base with Active Damping for a Transmission Electron Microscope // Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active Control. Multi-Science Publishing Company. Vol.28. № 3. P. 169-184.

4. Смирнов B.A. Кинематическая виброзащита объектов, чувствительных к вибрации // Промышленное и гражданское строительство в современных условиях. Материалы Международной научно-технической конференции студентов. М.: МГСУ, 2011.

5. Мондрус BJ., Смирнов B.A. Bиброзащита высокоточного оборудования от низкочастотных колебаний // Academia. 2011. №1. С. 109-111.

6. Мондрус B^., Смирнов B.A. Динамический анализ систем виброзащиты высокоточного оборудования с применением ПК MSC Software // Форум MSC Software 2011. Эл.-опт. диск.

7. Смирнов B.A. Нелинейный виброизолятор для целей кинематической виброзащиты объектов, чувствительных к вибрации // Bестник МГСУ. 2011. №3. Т.1. С. 107-112.

Literatura

1. Rekomendacii po vibrozashite nesushih konstrukcij proizvodstvennyh zdanij / CNIISK im. V.A.Kucherenko. М., 1988.

4. Smirnov V.A. Kinematicheskaya vibrozashita objectov, chuvstvitelnyh k vibracii // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitelstvo v sovremennyh usloviah. Materialy Mezhdynarodnoj nauchno-technicheskoj konferencii studentov.M.: MGSU, 2011.

5. Mondrus V.L., Smirnov V.A. Vibrozashita vysokotochnogo oborudovanija ot nizkochastotnyh kolebanij // Academia. 2011. №1. C. 109-111.

6. Mondrus V.L., Smirnov V.A. Dinamicheskij analiz sistem vibrozashity vysokotochnogo oborudovanija s primeneniem PK MSC Software // Forum MSC Software 2011. El-opt. disk.

7. Smirnov V.A. Nelinejnyj vibroizolator dlya celej kine-maticheskoj vibrozashity objectov, chuvstvitelnyh k vibracii // Vestnik MGSU. 2011. №3. Т.1. С.107-112.

Numerical Analysis of Nonlinear Vibration Isolation System for Electron Microscope. By V.L.Mondrus, V.A.Smirnov

This article deals with developing of a vibration isolation system for high-precision electron microscope. According to the vibration criteria VC-E, the model system is being constructed, that consist of a metal bucket, supported by four quazi-zero stiffness vibration isolators. Modal analysis is carried out using MSC Patran finite element package and the dynamic properties of developed vibration isolation system are inspected.

Ключевые слова: виброзащита, высокоточное оборудование, низкочастотные колебания, конечно-элементное моделирование.

Key words: vibration isolation, high-precision equipment, low-frequency fluctuations, finite element analysis.