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基于合肥先进光源的准直参考网络机械系统设计及其仿真分析

张海艇 何晓业 王巍 汪昭义 李笑

张海艇, 何晓业, 王巍, 等. 基于合肥先进光源的准直参考网络机械系统设计及其仿真分析[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200003
引用本文: 张海艇, 何晓业, 王巍, 等. 基于合肥先进光源的准直参考网络机械系统设计及其仿真分析[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200003
Zhang Haiting, He Xiaoye, Wang Wei, et al. Design and simulation analysis of mechanical system of reference network for alignment based on Hefei Advanced Lightsource Facility[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200003
Citation: Zhang Haiting, He Xiaoye, Wang Wei, et al. Design and simulation analysis of mechanical system of reference network for alignment based on Hefei Advanced Lightsource Facility[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200003

基于合肥先进光源的准直参考网络机械系统设计及其仿真分析

doi: 10.11884/HPLPB202032.200003
基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFA0402000,2016YFA0402004)
详细信息
    作者简介:

    张海艇(1994—),男,硕士研究生,从事粒子加速器测量、准直、安装工程方法和技术研究;zhttty@mail.ustc.edu.cn

    通讯作者:

    何晓业(1964—),男,教授级高工,博导,从事精密工程测量及粒子加速器准直测量理论、方法和技术研究;xyhe@ustc.edu.cn

  • 中图分类号: TL505

Design and simulation analysis of mechanical system of reference network for alignment based on Hefei Advanced Lightsource Facility

  • 摘要: 新一代粒子加速器中磁铁位置与姿态的准确测量和安装依赖于各项技术的综合运用。实现磁铁在全局坐标系中准确定位,并且快速精密安装测量,为了建造高亮度、低发射度的第四代同步辐射光源,国家同步辐射实验室开展了“合肥先进光源(HALF)”的预研工作。作为准直测量系统的重要研究内容,创新性地提出了准直参考网络方法。为了保证准直测量精度,对准直参考网络的机械系统本身的形变要求很高,通过ANSYS软件对机械系统整机进行了静力学仿真,根据分析结果对准直基准板进行了优化设计,使其满足工作条件要求。
  • 图  1  合肥先进光源加速器总体布局示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of the overall layout of Hefei Advanced Light Source Accelerator

    图  2  多传感器准直基准板结构及传感器分布示意图

    Figure  2.  Schematic diagrams of a multi-sensor aligned reference plate and its distributed sensors

    图  3  准直参考网络系统整机示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of the overall reference network for alignment (RNA)

    图  4  简化后的三维模型

    Figure  4.  Simplified 3D model of the RNA

    图  5  有限元模型

    Figure  5.  Finite element model

    图  6  应变云图和应力云图

    Figure  6.  Strain cloud map and stress cloud map

    图  7  参数化模型

    Figure  7.  Parametric model

    图  8  准直基准板的有限元模型和约束载荷图

    Figure  8.  Finite element model of aligned reference plate and aligned reference plate constrained load diagram

    图  9  准直基准板的应变云图和应力云图

    Figure  9.  Strain cloud map and stress cloud map of aligned reference plate

    图  10  准直基准板的输入输出参数设定

    Figure  10.  Input and output parameter setting of the aligned reference plate

    图  11  输出参数边界

    Figure  11.  Output parameter boundary

    图  12  准直基准板的厚度和长度对其应变和等效应力影响的响应面云图

    Figure  12.  Response surface cloud diagram of the influence of the thickness and length of the aligned reference plate on its strain and equivalent stress

    图  13  更新后的应变云图和应力云图

    Figure  13.  Updated strain cloud map and stress cloud map

    表  1  整机主要材料属性

    Table  1.   Main material property of the whole machine

    materialelastic modulus/GPaPoisson ratiodensity/(kg/m3
    stainless steel1900.298000
    aluminium alloy690.332700
    structural steel2120.297860
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    表  2  优化前后仿真结果对比

    Table  2.   Comparison of simulation results before and after optimization

    comparison itemstrain/mmquality/kgstress/MPa
    before optimization0.2320.1740.61
    after optimization0.1916.9535.07
    change percentage17.39%19%13.64%
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-06
  • 修回日期:  2020-06-05
  • 网络出版日期:  2020-06-12

基于合肥先进光源的准直参考网络机械系统设计及其仿真分析

doi: 10.11884/HPLPB202032.200003
    基金项目:  国家重点研发计划项目(2016YFA0402000,2016YFA0402004)
    作者简介:

    张海艇(1994—),男,硕士研究生,从事粒子加速器测量、准直、安装工程方法和技术研究;zhttty@mail.ustc.edu.cn

    通讯作者: 何晓业(1964—),男,教授级高工,博导,从事精密工程测量及粒子加速器准直测量理论、方法和技术研究;xyhe@ustc.edu.cn
  • 中图分类号: TL505

摘要: 新一代粒子加速器中磁铁位置与姿态的准确测量和安装依赖于各项技术的综合运用。实现磁铁在全局坐标系中准确定位,并且快速精密安装测量,为了建造高亮度、低发射度的第四代同步辐射光源,国家同步辐射实验室开展了“合肥先进光源(HALF)”的预研工作。作为准直测量系统的重要研究内容,创新性地提出了准直参考网络方法。为了保证准直测量精度,对准直参考网络的机械系统本身的形变要求很高,通过ANSYS软件对机械系统整机进行了静力学仿真,根据分析结果对准直基准板进行了优化设计,使其满足工作条件要求。

English Abstract

张海艇, 何晓业, 王巍, 等. 基于合肥先进光源的准直参考网络机械系统设计及其仿真分析[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200003
引用本文: 张海艇, 何晓业, 王巍, 等. 基于合肥先进光源的准直参考网络机械系统设计及其仿真分析[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200003
Zhang Haiting, He Xiaoye, Wang Wei, et al. Design and simulation analysis of mechanical system of reference network for alignment based on Hefei Advanced Lightsource Facility[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200003
Citation: Zhang Haiting, He Xiaoye, Wang Wei, et al. Design and simulation analysis of mechanical system of reference network for alignment based on Hefei Advanced Lightsource Facility[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200003
  • 准直技术作为重要的加速器技术之一,对于加速器的性能表现有着至关重要的影响。特别是对新一代高性能加速器,磁铁的安装定位误差会导致储存束流轨道的畸变,影响加速器的性能,严重时甚至导致束流无法存储。进一步提高准直技术水平,对于发展衍射极限储存环、自由电子激光装置等第四代粒子加速器有着重要意义。为了建设合肥先进光源(HALF)的需要,国家同步辐射实验室开展相应的预研工作,新的准直方法和技术为其重要内容之一。为了达到更高的准直测量精度,创新性地研究了一种准直测量方法——准直参考网络系统(RNA)。该系统集合不同类型高精度传感器的优势,在共平台、共坐标系下实现对关键元部件的全局控制测量,拟实现将准直安装精度提高到在100 m滑动窗口内相对位置精度好于20 μm。本文设计并提出了准直参考网络的机械系统模型,同时对其进行了静力学分析与优化设计,根据仿真结果分析该系统满足项目工程需求,效果良好。

    • 准直参考网络系统包括准直基准板和安装在其上面的线位置传感器(WPS)、静力水准仪(HLS)、双轴电子倾斜仪(TILT)以及支撑架、引张线张紧器等装置。

    • 拟建设的合肥先进光源,是一台低能量区高性能的同步辐射光源,将为能源与环境、量子信息材料、生命与物质交叉领域的基础研究提供更好的研究平台。其总体布局如图1所示。

      图  1  合肥先进光源加速器总体布局示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of the overall layout of Hefei Advanced Light Source Accelerator

      本文提出的准直参考网络系统将保证在有限的工期时间内完成大量的磁铁安装准直工作。同时在保证工程质量的前提下极大地提高工作效率,将确保HALF预研工程顺利实施[1-2]

    • 多传感器准直基准板采用铟瓦钢材料制成,其长度约为400 mm、宽度约为300 mm,厚度约为30 mm,如图2所示。在基准板上两侧安装有8个1.5 in(~3.8 cm)陶瓷球,基准板的中间从上到下依次分布着线位置传感器1(WPS1)、静力水准仪(HLS)、双轴电子倾斜仪(TILT)、线位置传感器2(WPS2)、线位置传感器3(WPS3)等5个传感器。

      图  2  多传感器准直基准板结构及传感器分布示意图

      Figure 2.  Schematic diagrams of a multi-sensor aligned reference plate and its distributed sensors

      WPS可以测量线位置在横向竖直和水平两个方向的数值,绝对精度约为±7 μm;静力水准仪可以测量多点横向竖直方向相对位置变化,测量分辨率为1 μm,测量重复性为5 μm(精度);双轴电子倾斜仪在平面两个相互垂直方向上的测角分辨率为0.2″(1 µrad),精度为±1.3″(±0.006 mm/m)。

      WPS1、静力水准仪、双轴电子倾斜仪、WPS2、WPS3每个传感器底部均有3个0.25 in陶瓷球,圆度≤0.3 μm,粗糙度≥0.5 μm,3个陶瓷球采用点、线、面的定位模式,分别是线定位陶瓷球、点定位陶瓷球、面定位陶瓷球。

      整个基准板上共有15个0.25 in陶瓷球,8个1.5 in陶瓷球。在粒子加速器准直测量之前,首先将基准板放置在三坐标测量机上,依次测量得到15个0.25 in陶瓷球的中心坐标${P_i}\left( {{X_{0i}},{Y_{0i}},{Z_{0i}}} \right)$和8个1.5 in陶瓷球的中心坐标${P_j}\left( {{X_j},{Y_j},{Z_j}} \right)$,其中i=1,2,…,15,j=1,2,…,8[3]

      进一步,每一组线定位陶瓷球、点定位陶瓷球、面定位陶瓷球可以严格建立一个该传感器的坐标系。选取一个传感器的坐标系,若干个1.5 in陶瓷球可以建立该基准板的总坐标系,各个传感器的坐标系通过坐标转换可以归化到所在基准板的总坐标系中,从而可以建立各个传感器与陶瓷球之间的位置关系。

    • 通过三坐标测量机对单个基准板标定完成后,在每个磁铁组件的支撑架上面板两端分别安装固定基准板,并使基准板长边垂直束流方向,如图3所示,通过引张线张紧器在加速器磁铁中心穿过一条引张线,并采用振动线技术确定磁铁中心位置。由于已经明确基准板上各传感器与陶瓷球之间的位置关系,因此在预准直阶段可以通过两端的WPS1-WPS1将调试完成的加速器磁铁中心位置转换到外部的WPS2-WPS2与WPS3-WPS3上,并同时记录静力水准仪与双轴电子倾斜仪上的数据。

      图  3  准直参考网络系统整机示意图

      Figure 3.  Schematic diagram of the overall reference network for alignment (RNA)

      进入安装阶段时,在直线段上放置多个支撑装置,并通过WPS3-WPS3进行相互勾连。安装阶段可以通过WPS2-WPS2上的位置数据对支撑位置进行逆向的安装调试,并结合预准直阶段的双轴电子倾斜仪示数对加速器磁铁进行姿态调节[4-5],通过这种方法实现粒子加速器元器件的高精度安装以及高精度位置变形监测。

    • 本文通过运用ANSYS软件对准直参考网络系统的整机进行静力学分析,并对其关键部件准直基准板进行结构优化。

    • 静特性有限元分析是结构有限元分析的基础,主要是分析由于稳态外载荷的作用所引起系统或结构的位移、应变、应力情况。适合求解载荷对结构影响不显著的问题,这些载荷主要包括外部恒定施加的力、压力、重力、温度和热量等。根据静力学分析的结果可以看出结构发生应力应变的最大位置及结构的刚度的分布情况。对整机进行静力学分析,可以找出系统的薄弱位置,保证安装准直工作顺利进行[6]

    • 由于圆角、倒角、装配孔等这些特征的存在易引起应力集中,即奇异值,会导致求解失败,所以在仿真分析时需要对整机的三维模型进行合理的简化。

      将整机的三维模型导入ANSYS有限元分析软件中,为了便于有限元分析计算,在实体建模及装配过程中对各部件进行适当简化,忽略一些奇异特征[7]。通过ANSYS软件进行几何清理后得到简化的实体模型如图4所示。

      图  4  简化后的三维模型

      Figure 4.  Simplified 3D model of the RNA

    • 根据整机的外形结构选用合适的单元类型,而SOLID186实体单元对形状不规则结构有较好的网格精度,可很好地适应复杂曲线边界。为了使计算结果能准确反应真实情况,采用SOLID186单元来对比机构的有限元模型。在建立好对比机构简化模型后,将其导入ANSYS中定义其材料属性参数。整机主体部分材料为结构钢方块座为铝合金,静力水准底座为不锈钢,整机零部件材料主要属性参数如表1所示。

      表 1  整机主要材料属性

      Table 1.  Main material property of the whole machine

      materialelastic modulus/GPaPoisson ratiodensity/(kg/m3
      stainless steel1900.298000
      aluminium alloy690.332700
      structural steel2120.297860

      对于有限元模型的建立,先简化后模型整体默认状态划分一次,然后通过控制Body sizing对重要部件进行细化。对结构比较规则的采用Hex Dominant Method方法进行六面体网格划分,减小网格数量,提高计算速度。如图5所示,经过网格划分得到网格单元数为755797,节点数为2457999。

      图  5  有限元模型

      Figure 5.  Finite element model

    • 忽略机构组件各结合面之间的接触变形,近似将各接触面看作刚性接触,采用绑定接触;将机构组件的自重作为载荷条件,并对机构底座六个面施加固定约束,在横梁施加5000 N的外载荷,进行有限元分析。

      通过有限元分析得到整机的总位移形变,如图6(a)所示。整机的最大变形量约0.001 mm,并将总变形量一次分解到各部件,得到它们的最大变形量情况。矩形空心钢的最大变形量为0.001 mm,且所受变形主要为弯曲和扭转变形,对准直参考网络系统的测试精确度不会有较大影响。如图6(b)所示,整机的最大等效应力为0.23 MPa,其远小于各部件的材料屈服强度,所以整机满足设计需要。

      图  6  应变云图和应力云图

      Figure 6.  Strain cloud map and stress cloud map

    • 运用ANSYS软件DWE模块,利用前面得到的准直基准板的静态特性作为输出参数界定范围,将基准板的厚度和宽度作为输入参数进行多目标参数化设计[8]

    • 本文针对的准直基准板的参数化建模,在ANSYS Workbench的DM模块中建立。在DM模块中,创建草图和特征时,它们的特性由“尺寸参考”来进行控制,“尺寸参考”可以被提取为设计参数,使其不仅可以允许数据的参数化交换,使得DM模型更具灵活性,而且是采用优化技术的关键部分[9]。本文将准直基准板的厚度、宽度提取为设计参数,设定初步迭代厚度,建立模型如图7所示。

      图  7  参数化模型

      Figure 7.  Parametric model

    • 参考前面对整机的静力学分析数据,在DM中建立准直基准板参数化模型,施加和原型准直基准板相同的载荷,然后对其进行静力学分析。在ANSYS Workbench软件静力学分析模块中对其进行前处理操作。为了提高分析的求解精度和速度,需要对其进行合理的网格划分,设置相关性中心为fine,采用自适应网格划分单元。将实体模型导入ANSYS Workbench中,设置材料属性,然后进行网格划分。本文基于自由网格划分法,并施加网格尺寸控制,经过网格划分得到网格单元数为674876,节点数为952567,建立的有限元模型如图8(a)所示。准直基准板与支撑架的连接为螺栓连接,所以把准直基准板与支撑架螺栓联结的孔看成是完全约束。在安装传感器的不同位置施加传感器的质量。约束和载荷如图8(b)所示。

      图  8  准直基准板的有限元模型和约束载荷图

      Figure 8.  Finite element model of aligned reference plate and aligned reference plate constrained load diagram

      经ANSYS Workbench有限元分析得到准直基准板的应变云图和等效应力云图。如图9(a)所示,准直基准板的最大形变发生在板的端部,最大变形约0.23 mm,形变较大,对传感器的测量结果将有一定的影响,需要对其进行必要的优化设计。如图9(b)所示,准直基准板的等效应力最大约40.6 MPa,其远小于铟钢材料的屈服强度,故可知在现有的载荷条件下准直基准板的强度满足设计需求。

      图  9  准直基准板的应变云图和应力云图

      Figure 9.  Strain cloud map and stress cloud map of aligned reference plate

    • 由于ANSYS软件中的DM模块建立参数化模型较为方便,因此,准直基准板的参数化模型在DM模块中建立。通过调整准直基准板的三个几何参数尺寸变量,以分析后的最大应力、最大应变以及质量为设计目标进行分析。在DM模块中设置参数,将参数传递至Design Exploration进行目标驱动优化分析。在AWE中分别设置输入参数:厚度H1(DS_t1)、长度L1(DS_c)。输出参数的设置:结构最大应变P4和最大等效应力P5、质量P6图10为准直基准板的输入参数和输出参数。

      图  10  准直基准板的输入输出参数设定

      Figure 10.  Input and output parameter setting of the aligned reference plate

      初步考虑以准直基准板的最大等效应力、应变及质量均小于原型准直基准板的参数为设计目标。这三个目标小于原型准直基准板的静应力分析结果即可得到最优值,但是准直基准板的质量和应力及应变目标相悖,传统的优化难以实现,因此采用Workbench的多目标遗传算法MOGA进行优化。

      其理论模型为

      $$\min \mathop {F\left( x \right)}\limits_{x \in \Omega } = \left( {{f_1}\left( x \right),{f_2}\left( x \right), \cdots ,{f_M}\left( x \right)} \right)$$ (1)

      式中:$x = \left( {{x_1},{x_2}, \cdots ,{x_N}} \right)$N维的向量空间;$\varOmega $是可行解空间;${f_1}\left( x \right),{f_2}\left( x \right), \cdots {f_M}\left( x \right)$M个目标函数,记为$F\left( x \right) = \left( {{f_1}\left( x \right), \cdots ,{f_M}\left( x \right)} \right)$

      利用Optimization工具进行多参数目标驱动优化,选取优化方法为多目标遗传算法(MOGA),初始种子数为200,最大迭代次数为20,收敛稳定比例为2,最大允许帕累托百分比为70%。

      在DM模块中设置输入参数及其设计范围等刚度设计原则所选取的设计范围:厚度H1为27~33 mm;长度L1为234~286 mm。准直基准板的最大应变、最大等效应力和结构质量作为输出参数,以最大等效应变、最大等效应力及质量为优化目标,并且设置优化目标要小于原型准直基准板相应的计算结果为优化边界条件。这三个目标小于原型准直基准板的静应力分析结果即可得到最优值,对输出参数边界设定如图11所示。

      图  11  输出参数边界

      Figure 11.  Output parameter boundary

      对准直基准板进行灵敏度分析,所得基准板长度及厚度对其应变和等效应力的影响结果如图12(a)图12(b)所示。灵敏度分析结果图可以直观地表现出各因素对不同指标的影响程度。

      图  12  准直基准板的厚度和长度对其应变和等效应力影响的响应面云图

      Figure 12.  Response surface cloud diagram of the influence of the thickness and length of the aligned reference plate on its strain and equivalent stress

      图12(a)所示,云图颜色越深(红色)表明该因素对基准板的形变影响越明显,即随因素的增大或减小,其所对应的指标将增大或减小。由此可知,基准板的厚度对板的形变有明显的影响,当板的厚度越小时,其形变越大。如图12(b)所示,基准板的厚度和长度对板的等效应力的变化有交互作用,板的厚度和长度变化对基准板应力的影响不是线性变化的,基准板的长度对其所受应力的大小有显著的作用[10]。当基准板的长度越大时,其所受的应力越大。

      通过以上各参数对最大应力、最大应变及质量的影响力大小的分析,以及对各个响应的分析,从优化模型中得到的3个最佳候选设计点中选取最佳设计点。在强度和刚度得到满足的同时,考虑到传感器安装板结构的综合性能,从3个候选的设计点之中选择候选点3作为最优设计点。返回项目工程图,对优化后的设计点进行更新。在静力学模块中输出新的计算结果如图13所示。

      图  13  更新后的应变云图和应力云图

      Figure 13.  Updated strain cloud map and stress cloud map

    • 根据参数化优化的结果,得到准直基准板的新三维模型,对其施加相同的载荷和边界条件并进行静力学分析,表2为对比优化前后结果分析。通过优化结果与项目需求、设备安装及加工工艺等综合考虑,可得准直基准板最终尺寸为400 mm×260 mm×30 mm。另外从表2中可以看出,与优化前相比,优化后准直基准板的最大应变减小了17.39%,质量减少了19%,最大应力降低了13.64%。结构优化后准直基准板的最大变形量减少了0.04 mm,实现了准直基准板的刚度最大优化,有效提高了传感器的测量精度。

      表 2  优化前后仿真结果对比

      Table 2.  Comparison of simulation results before and after optimization

      comparison itemstrain/mmquality/kgstress/MPa
      before optimization0.2320.1740.61
      after optimization0.1916.9535.07
      change percentage17.39%19%13.64%
    • 本文提出了一种用于合肥先进光源的准直参考网络系统,由于合肥先进光源正处于预研阶段,技术方案还未进行验证。因此本文对该系统的整机结构进行了静应力分析,发现该系统在外载荷5000 N的情况下最大应变为0.001 mm,最大等效应力为0.23 MPa,满足项目工程需求。同时对系统的关键元部件准直基准板进行了优化设计,最大应变减小了17.39%,质量减少了19%,最大应力降低了13.64%,从而使其更好地为系统服务。

参考文献 (10)

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