[发明专利]一种非均匀加筋层的重型机床复合基础设计方法

说明书

本发明公开了一种非均匀加筋层的重型机床复合基础设计方法，本方法对传统的机床基础结构进行重新设计，避免传统基础的底部结构刚度过剩所造成花费巨额提高的弊端，并能保证基础的承载能力。本发明所采用的方法求解出基础内部的各点的位移分量，实现复合基础的浇筑建设。重型数控机床系统分为三个部分，即上部结构、基础和地基。而地基基础的开挖与浇灌所产生的费用甚至要高出机床本身的价格，所以有必要研究地基基础的结构设计，从而在保证基础刚度满足机床加工要求的情况下，尽可能地减少开支。本发明采用底部稀疏布置加筋层的方式，一方面保证混凝土对机床加工时的承载能力，另外一方面通过减少底部加筋层而缩减机床基础的建造开支。

技术领域

本专利涉及重型机床-地基基础的设计施工领域，尤其针对于基础结构设计研究领域，也可应用到小型实验设备领域。

背景技术

近几年来，随着国务院实施多个重点专项计划，政府持续加大对航空航天、核电风电、铁路机车、船舶舰艇、交通运输等重点工程的资金与人力投入力度。工程设备的关键零部件均为大尺寸、重吨位、高精度工件，要想承接加工这样的典型零件，就必须开发高水平的大型、重型、超重型数控机床。重型数控机床系统分为三个部分，如图1所示，即上部结构(龙门机床1)、基础2和地基3，通常将地基3看作弹性半空间体。而地基基础的开挖与浇灌所产生的费用甚至要高出机床本身的价格，所以有必要研究地基基础的结构设计，从而在保证基础刚度满足机床加工要求的情况下，尽可能地减少开支。

传统的基础结构如图2所示，由三部分组成，4为混凝土，5为横向网状加筋层，6为纵向网状加紧层。5和6通常用方形折弯钢筋焊接固定。通常地基的开挖深度达到6-8m，也即是基础的浇灌深度。而基础的长度不一，少则15m，多则达80m。而在这样的基础内铺上密实的网状加筋层，花费巨大。本次发明的新型重型机床基础结构可以在保证机床加工精度的前提下，通过对基础底部采用稀疏布筋的方式，从而实现机床基础建造开支的缩减。

发明内容

本发明的目的在于，对传统的机床基础结构进行重新设计，避免传统基础的底部结构刚度过剩所造成花费巨额提高的弊端，并能保证基础的承载能力。

为了实现上述目的，本发明所采用的方法求解出基础内部的各点的位移分量，实现复合基础的浇筑建设。该方法包括如下流程：

步骤1、求解基础内部的应力分量。假设基础边界上受法向集中力F的作用，也即是龙门机床将自身重力通过其两边立柱施加于基础上的力，如图4所示。

应力函数φ为：

φ＝rf(θ) (1)

其中，r——极径；

θ——极角；

将其带入极坐标下的相容方程得：

求解微分方程后可得，

f(θ)＝Acosθ+Bsinθ+θ(Ccosθ+Dsinθ)

其中，A、B、C、D均为待定系数；

将其代入式(1)可得：

φ＝Arcosθ+Brsinθ+rθ(Ccosθ+Dsinθ)

又由弹性力学得知，任何应力函数加上一个线性函数，并不影响应力，所以可略去Arcosθ+Brsinθ＝Ax+By，则应力函数可写为：

φ＝rθ(Ccosθ+Dsinθ)

由应力函数求解应力分量可得：

如图4标明，其中，σ_r、σ_θ为极坐标下极径、极角方向上的正应力；τ_rθ则为切应力。