精密儀器之石英砂隔振平台微振動特性研究

蔡佳恩

doi:10.6342/NTU.2013.01806

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精密仪器之石英砂隔振平台微振动特性研究

Micro Vibration of Hi-Tech Facilities Isolated with a Quartz Container

蔡佳恩 , 硕士　　导师：周中哲　　

繁体中文 DOI： 10.6342/NTU.2013.01806

精密仪器；微振动； ASTM标准砂；石英砂隔振平台；系统识别；总体经验模态分解法；随机递减法；亚伯拉罕时间域法；单向度波传理论； Hi-Tech Facilities ； Micro Vibration ； ASTM Standard sand ； Quartz ； system identification ； EEMD ； RDM ； ITD ； One-Dimensional Wave Propagation Theory

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摘要 │ 被引用文献 (1) │ 国际计量

摘要〈TOP〉

随着高科技厂房制程持续创新发展，或是学术研究精密仪器实验室，其所使用的精密仪器，对於适合仪器运作的微振动需求也越来越严格。如何提供仪器合适运作环境的议题，也变得越来越重要。过去有许多相关的隔振设计，也曾经使用石英砂来进行隔振的设计，但是对於这样隔振设施的特性，目前尚未有一个完整明确的研究，本研究即以石英砂隔振平台实际设计案例作进一步探讨。随着施工过程进行，到现地量测不同阶段下隔振平台的微振动特性，并对量测到的微振动讯号进行系统识别，分别以单自由度动力模型(简化模型)与现地实际几何配置建置的有限元素分析模型(复杂模型)描述整个隔振平台的动力反应。
本研究标的「微振动隔振平台」设於建筑物最底楼(地下二楼)，在预计放置精密仪器处下方，为一个可填隔振用石英砂的独立基坑，该基坑系以桩基础形式支撑与建筑物基础分开。基坑里面分别填充两种粒径分布不同的石英砂作为隔振材，并在砂体上放置一个1 m厚的混凝土盖板作为放置仪器之基座。为了避免来自建筑物的振动源因为混凝土盖板传入基坑内，因此在混凝土盖板与四周筏基部分留有5 cm的空隙，此即为石英砂隔振平台之几何配置。
本研究分成两个部分进行，其中第一个部分为现地量测资料的蒐集与分析，第二部分为数值模型模拟与预测。
第一部分本讯号系统识别的部分可以分为三个流程，分别是一、对讯号进行降噪；二、从随机稳态的讯号中萃取其自然衰减振动反应历时；三、针对自然衰减振动反应作系统识别，以找出其自然频率与阻尼比。本研究使用的方法分别为总体经验模态分解法(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)、随机递减法(Random Decrement Method, RDM)、亚伯拉罕时间域法(Ibrahim Time Domain, ITD)。
第二部分数值分析，使用ABAQUS有限元素分析软体，根据现地几何配置，简化模型以二维平面应变的模式分析。就标准砂材料性质取得来源，分成两个分析模式。其一是以过去文献提及标准砂剪力模数经验公式，得出标准砂参数进行分析。也因为此材料性质取得无需依赖现地微振动讯号测量结果，故在隔振平台设计阶段可作为隔振设施动力特性的预测模型。另一方面，使用单向度波传理论找出代表砂体的剪力波速进行数值分析。因为此参数须在隔振平台已完成的情况下进行量测，所以为透过现地讯号系统识别反推材料性质之修正模型。
识别结果发现此含石英砂隔振平台属於被动隔振结构物，为单自由度动力系统。根据数值模型分析的结果与现地测量值比较发现，基坑垂直方向以单向度波传理论所推出的材料性质会比较符合现地量测值；水平方向以使用共振柱试验所推导的经验公式会比较符合现地量测值。数值模型大致而言，在模型主频的部分会比现地实际测量值要小，在振幅的预测上会比实际测量到的结果要大，结构物实际行为比模型分析的结果要佳。

并列摘要〈TOP〉

With the development of hi-tech facilities and academic laboratories with precision instruments, the issue of how to provide a suitable vibration environment for equipment became more and more important. The design of isolators by using quartz containers has been used in the past, but this type of isolator has not been studied thoroughly. In this thesis we research a practical isolator using a quartz container and measure the in suit micro vibration signals of the isolator under different stages of construction. In order to accurately model the problem we utilize system identification to find the structure’s natural frequency and damping ratio, then use a single degree of freedom dynamic model (simplified model) and an in suit geometry finite element model (complex model) to describe the entire dynamic response of the isolator.

The quartz container is located at the bottom of the building, and is supported on four piles. Basically, the quartz container and building are separated. The container is filled with two layers of different standard sand which are all specified in ASTM C778. The first layer (graded sand) is 3 m in depth, and the second layer (single particle sand) is 1 m in depth. Finally, we placed a 1 m depth concrete slab on top of the sand. To prevent the ambient vibration of the building transferring to the container through the concrete slab, we keep a 5 cm gap around the concrete slab.
 
Three steps of signal processing and system identification are applied in this study. In the first step, we denoise our measured in suit signals. In the second step, we get the free vibration natural decline curves from the stationary random data, and finally, we identify the natural frequency and damping ratio of the quartz container. The methods we use in the research are Ensemble Empirical Mode Decomposition (EEMD), random decrement method (RDM), and Ibrahim Time Domain (ITD) respectively.

We use the finite element software ABAQUS to simulate the dynamic behaviors of the quartz container. Because there are two ways to get the material properties of the standard sand, we have two different models. In the first model, we can decide the sand’s properties through empirical results from the resonant column tests. Because the process of obtaining the sand properties does not rely on the in suit measurements, this model can be regarded as forecast model in the design stage. In the second model, we can get sand properties through the results of system identification by using one-dimensional wave propagation theory. This second model is regarded as modified model to be close to the in suit conditions.

The quartz container is the structure of passive control, and mainly behavior as a single degree of freedom dynamic system. According to the comparisons between measurements from the in suit and results from the numerical simulation, the results of the model based on the one-dimensional wave propagation theory are close to in suit measurements in the vertical direction; and the results of model based on empirical formulas are close to in suit measurements in the horizontal direction.

被引用文献 (1) 〈TOP〉

黄俊翔(2017)。杠杆黏弹性制震壁之发展与实验验证及其在高科技厂房之应用评估。国立台湾大学土木工程学系学位论文。2017。1-207。

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