超高稳定性的支撑架结构及其使用方法和设计方法技术

本发明专利技术公开一种超高稳定性的支撑架结构及其使用方法和设计方法，包括固定支架和调节支架，调节支架安装于固定支架顶面，调节支架采用特种钢材料、钼镐钛合金或钛合金制作，固定支架的上、下部主体分别采用碳纤维以及超因瓦合金或因瓦合金制作。使用时利用碳纤维线膨胀负值与金属材料的线膨胀正值相互抵消来提高热稳定性，利用碳纤维的低密度来减小固定支架上部重量来降低质心，利用碳纤维的高模量增加支撑架刚性，提高振动稳定性。设计时采用ANSYS软件对支撑架结构先进行分析比较，再进行模态分析、结构动力学分析和拓扑优化，获取最佳结构后制作样机，后通过锤击法和压电加速度计、振动传感器测量和验证其本征频率和振动幅值放大比例。幅值放大比例。幅值放大比例。

【技术实现步骤摘要】
超高稳定性的支撑架结构及其使用方法和设计方法


[0001]本专利技术涉及高能物理领域，特别涉及一种束流位置探测器(BPM)用的超高稳定性的支撑架结构及其使用方法和设计方法。

技术介绍

[0002]束流轨道稳定性是现代同步辐射光源的关键性能指标之一，它直接影响加速器性能以及实验线站同步光的质量和稳定性。束流位置探测器(即Beam Position Monitor，简称BPM)作为束流位置和轨道测量的仪器，一般要求其机械稳定性达到100nm。
[0003]目前常用的高稳定性支撑架主要有主动隔振支撑架、被动隔振支撑架和纯刚度支撑架几种形式。其中，主动隔振支撑架虽然可以实现支撑架的稳定性，但是其补偿结构往往具有结构复杂、占用空间较大、价格昂贵等缺点。被动隔振支撑架一般采用弹性阻尼结构将两端的振动进行隔绝，存在本征频率低、容易出现共振现象等缺陷。因此，主动隔振支撑架和被动隔振支撑架一般均较少选用。纯刚度支撑架本身具有较大本征频率、振动通过时基本不受影响的特点，但目前国内外常用的纯刚度支撑架本征频率较低，不能满足机械稳定性要求。而结合在HEPS(即高能同步辐射光源)的设备空间限制(一般束流中心距离地面1200mm，束流纵向长度不超过100mm，束流水平横向也不应超过500mm)、束流轨道稳定性要求和基建地面振动水平总体良好(主要集中在低频部分)的实际情况，传统的纯刚度支撑架无法达到束流位置探测器应用时的本征频率和线膨胀值要求。
[0004]另外，目前环境中的噪声振动(～100nm)和周边加速器设备产生的振动传递、以及实验环境中随机温度变化(
±
0.1℃)导致结构的温度形变，均已经到了影响束流轨道稳定性的水平。一般情况下，同步光束稳定性的要求根据频率可以分为轨道低频慢漂(10s
‑
7days)和中频振动(0.1Hz
‑
100Hz)，体现在支撑架的稳定性要求上，低频慢漂主要是环境温度的缓慢变化导致的支撑架形变，中频振动主要是基建地面的振动在支撑架上的传递放大，但若为超过100Hz的高频干扰，其干扰源的幅值较小，且在束线难以观测到，则不在考虑范围内。因此，如何降低轨道低频慢漂和中频振动的影响，也是BPM支撑架结构设计中需要解决的重要难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超高稳定性的支撑架结构，该支撑架结构具有超高的热稳定性和振动稳定性，可有效保障束流位置探测器的机械稳定性。
[0006]本专利技术的另一目的在于提供一种上述超高稳定性的支撑架结构的使用方法。
[0007]本专利技术的又一目的在于提供一种上述超高稳定性的支撑架结构的设计方法。
[0008]本专利技术的技术方案为：一种超高稳定性的支撑架结构，包括固定支架和调节支架，调节支架安装于固定支架顶面，其中，调节支架的主体采用特种钢材料、钼镐钛合金材料或钛合金材料中的一种或多种制作，固定支架的上部主体采用碳纤维制作，固定支架的下部
主体采用超因瓦合金或因瓦合金制作。
[0009]作为一种优选方案，所述调节支架采用型号为KEL
‑
11的特种钢材料制作，KEL
‑
11是日本东北特钢开发的产品。
[0010]作为另一种优选方案，下述调节支架中的水平调节动板和水平调节底板采用钛合金材料，其余部件(如螺杆、螺柱等部件)采用钼镐钛合金材料制作，相比型号为KEL
‑
11的特种钢材料，钼镐钛合金材料和钛合金材料的线膨胀系数略高，但是仍能保证弹性模量、相对磁导率和机械加工性能的材料。
[0011]所述固定支架包括由下至上依次连接的支撑底板、下部连接管、上部连接管和顶板。
[0012]所述固定支架中，下部连接管包括第一方管和筋板，第一方管为因瓦方管或超因瓦方管，各第一方管并列垂直设于支撑底板上，任意相邻的两个第一方管之间通过筋板连接，各筋板沿垂直于支撑底板的方向设置。
[0013]所述固定支架中，第一方管内灌砂，可进一步实现整个支撑架的缓冲减振，即减小支撑底板振动传递至顶板的振幅放大比例。
[0014]所述固定支架中，上部连接管包括多层连接管结构；各层连接管结构中设有多个第二方管，第二方管为碳纤维方管，各第二方管并列沿垂直于支撑底板的方向设置，各第二方管之间设有碳纤维隔板，碳纤维隔板沿平行于支撑底板的方向设置；位于最上层的连接管结构顶部与顶板的底面连接。
[0015]上述固定支架制作和装配时，第一方管底部与支撑底板的连接处还设置支撑筋，第一方管、筋板、支撑底板以及支撑筋之间均采用氩弧焊方式固定连接；第一方管与第二方管之间、第二方管与碳纤维隔板之间、相邻两层连接管结构之间均采用复合连接方式，先采用胶进行粘接，再利用螺钉或铆钉锁紧固定，最后在螺钉处点焊防止松退。另外，顶板由于作为调节支架的水平调节底板，采用与调节支架相同的特种钢材料或钛合金材料进行制作。
[0016]所述固定支架中，顶板也作为调节支架的水平调节底板；水平调节底板相对的两侧分别设有向上凸起的固定螺栓侧板，水平调节底板的顶面设有调节挡块。
[0017]所述调节支架包括水平调节动板、多个高程调节螺杆和支撑螺柱，各高程调节螺杆分别通过对应的支撑螺柱垂直设于水平调节动板上，水平调节动板紧密安装于水平调节底板上；水平调节动板的两侧位于各固定螺栓侧板内侧，且水平调节动板与固定螺栓侧板之间通过第一内六角推杆进行连接，通过两个第一内六角推杆的配合，可调节水平调节动板沿其水平横向相对于水平调节底板的安装位置；水平调节动板的中部设有通孔，水平调节底板上的调节挡块位于水平调节动板上对应的通孔中，且水平调节动板与调节挡块两侧之间通过第二内六角推杆进行连接，即每个调节挡块两侧分别设有一对第二内六角推杆，通过这些第二内六角推杆的配合，可调节水平调节动板沿其束流方向相对于水平调节底板的安装位置。同时，通过两个第一内六角推杆和四个第二内六角推杆的配合，还可实现调节水平调节动板绕高程方向相对于水平调节底板进行较小角度范围内的旋转。其中，利用高程调节螺杆可调节束流位置探测器的安装高度以及水平面两个轴的旋转角度(即在高程方向上的螺杆可以实现高程的调节，以及绕束流方向和水平横向两个轴的旋转微调，因为高程方向上采用了球形垫片，可以实现万向旋转，同时保证紧密接触)，利用第一内六角推杆
可调节束流位置探测器沿其水平横向的安装位置，利用第二内六角推杆可调节束流位置探测器沿其束流方向的安装位置，利用第一内六角推杆和第二内六角推杆的配合调节束流位置探测器绕高程方向的安装角度。
[0018]所述调节支架中，各高程调节螺杆上同轴设有凸球形垫片、凹球形垫片和调节螺母，实现束流位置探测器绕水平横向和束流方向两个方向的旋转，同时保证紧密接触和锁紧。各高程调节螺杆下部的支撑螺柱外壁还设有支撑筋。该结构中，高程调节螺杆的具体结构及高度调节原理与传统高程调节螺杆相同，但第一内六角推杆、第二内六角推杆以及高程调节螺杆均采用细牙螺纹，以实现高分辨率微调。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超高稳定性的支撑架结构，其特征在于，包括固定支架和调节支架，调节支架安装于固定支架顶面，其中，调节支架的主体采用特种钢材料、钼镐钛合金材料或钛合金材料中的一种或多种制作，固定支架的上部主体采用碳纤维制作，固定支架的下部主体采用超因瓦合金或因瓦合金制作。2.根据权利要求1所述一种超高稳定性的支撑架结构，其特征在于，所述调节支架采用型号为KEL
‑
11的特种钢材料制作。3.根据权利要求1所述一种超高稳定性的支撑架结构，其特征在于，所述固定支架包括由下至上依次连接的支撑底板、下部连接管、上部连接管和顶板。4.根据权利要求3所述一种超高稳定性的支撑架结构，其特征在于，所述固定支架中，下部连接管包括第一方管和筋板，第一方管为因瓦方管或超因瓦方管，各第一方管并列垂直设于支撑底板上，任意相邻的两个第一方管之间通过筋板连接，各筋板沿垂直于支撑底板的方向设置。5.根据权利要求4所述一种超高稳定性的支撑架结构，其特征在于，所述固定支架中，第一方管内灌砂。6.根据权利要求3所述一种超高稳定性的支撑架结构，其特征在于，所述固定支架中，上部连接管包括多层连接管结构；各层连接管结构中设有多个第二方管，第二方管为碳纤维方管，各第二方管并列沿垂直于支撑底板的方向设置，各第二方管之间设有碳纤维隔板，碳纤维隔板沿平行于支撑底板的方向设置；位于最上层的连接管结构顶部与顶板的底面连接。7.根据权利要求3所述一种超高稳定性的支撑架结构，其特征在于，所述固定支架中，顶板也作为调节支架的水平调节底板；水平调节底板相对的两侧分别设有向上凸起的固定螺栓侧板，水平调节底板的顶面设有调节挡块。8.根据权利要求7所述一种超高稳定性的支撑架结构，其特征在于，所述调节支架包括水平调节动板、多个高程调节螺杆和支撑螺柱，各高程调节螺杆分别通过对应的支撑螺柱垂直设于水平调节动板上，水平调节动板紧密安装于水平调节底板上；水平调节动板的两侧位于各固定螺栓侧板内侧，且水平调节动板与固定螺栓侧板之间通过第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王安鑫，王广源，张俊嵩，刘磊，朱东辉，陈佳鑫，余洁冰，于永积，聂小军，宁常军，刘仁洪，贺华艳，邱瑞阳，杨涛，孙继磊，康玲，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：