大型地基光學望遠鏡三維隔震系統

胡守偉，張 勇，王躍飛，王 佑

（1.中國科學院 國家天文臺南京天文光學技術研究所，江蘇 南京210042；2.中國科學院天文光學技術重點實驗室，江蘇 南京210042）

1 引 言

大型光學觀測站都建在能為科學設備提供最佳大氣條件的地方，但這些地方，如夏威夷和智利，都可能面臨著大地震威脅［1-4］。2006年10月15日，一場6.8級大地震損壞了凱克（Keck）天文臺的兩臺望遠鏡，導致觀測中斷數周。抗震設計中的阻尼和強度不足以及方位軸徑向油墊上缺少分離機構是Keck望遠鏡的關鍵設計缺陷之一。隨后Keck項目組組織了一項抗震恢復措施的可行性研究，審查了加強望遠鏡保護的幾種方案，目的是盡量縮短大型地震事件后望遠鏡恢復運行的時間［5-6］。因此，地震災害造成的損壞風險是任何大型望遠鏡設計建設時需要考慮的重要因素之一，尤其新一代超大望遠鏡相對于較小的傳統望遠鏡在面臨地震危害時會存在更大的損壞風險，需要創造性的解決方案來提供抗震保護。

傳統建筑幾乎都采用了二維隔震系統。近年來，大型地基光學望遠鏡主要采用的隔震系統可以分為二維隔震和三維隔震，美國巨型麥哲倫望遠鏡GMT和美國三十米望遠鏡TMT都計劃采用二維隔震系統方案。二維隔震是由僅在水平面內運動的隔震裝置組成，而在垂直方向沒有隔震。因為二維隔震系統在結構的垂直方向上沒有隔震效果，這不可避免地使得垂直地面的激勵在很大程度上不能衰減。而三維隔震系統涉及沿水平面內和垂直方向的隔離，能從根本上改進完善隔震問題。盡管如此，對望遠鏡結構的初步分析表明，即使在沒有垂直隔震的情況下，僅二維隔震系統的性能也能有效地降低地震影響，包括降低垂直和水平耦合作用。

歐洲極大望遠鏡E-ELT采用了三維隔震系統，即使按照今天的標準，三維隔震仍然是一項新興技術。隔離垂直加速度并同時在正常操作期間提供足夠的剛度是非常困難的。在過去幾年中，布法羅大學等研究機構在此方面取得了重大進展，證明了該技術的有效性，但該方法尚未達到成熟和廣泛實施階段。因此，在大型望遠鏡上實施這樣一個系統仍然面臨挑戰。

2 典型方案分析

2.1 二維隔震系統

圖1為二維隔震系統解決方案原理圖。美國24.5米望遠鏡GMT和30米望遠鏡TMT都采用了二維隔震系統。GMT在基墩底部引入了單摩擦擺隔震系統（SIS），以分離水平地震地面運動，并在主鏡支撐處引入了主動阻尼器以耗散能量，之所以選擇單摩擦擺是出于使用壽命、操作剛度和對確定性、可重復系統的要求［7-8］。

圖1 二維隔震系統解決方案Fig.1 Solutions of 2D isolation system

該系統由位于混凝土基墩底部的一組24個單擺摩擦支座組成，如圖1（a）。SIS還可能包括一組粘滯阻尼器，以限制剛體位移，具體取決于生產支座的實測摩擦特性。單摩擦擺支座，由一個鉸接滑塊組成，可沿凹面不銹鋼球面移動。滑動面之間產生的摩擦力由低摩擦襯片控制，該襯片是根據所需的載荷和摩擦特性選擇的。如果靜摩擦太小，SIS可能會頻繁啟動。如果動摩擦太大，則支座在衰減地面加速度方面無效。此外，運動必須平穩，無粘滑現象。類似的襯墊材料也用于確保滑塊的平滑接合。初始動態摩擦系數約為0.1，隨著襯套材料變得更熱，支座消耗能量，摩擦系數升至0.4左右。

TMT利用方位軸樞軸軸承傳遞徑向載荷的優勢，將隔離系統置于樞軸軸承的活動部件與方位軸的固定底座之間。它由四個預載彈簧阻尼器組成，這些預載彈簧阻尼器將軸承4個均勻分布的點與距它們90°的方位軸底座的4個點連接起來，如圖1（b）。預載彈簧阻尼器本質上是一種具有預緊啟動力的線性彈簧，可以承受來自水平作用的雙向作用力，同時可以承受高達一定值的載荷，一旦其負載超過預緊啟動力，將開啟其恒定低剛度模式，由于其水平滑移不可超出導軌，同時需要滿足在地震結束后具有復位能力，其剛度阻尼設置不能太小。當望遠鏡處于工作狀態時，預載彈簧阻尼器依靠預載力保持充足的剛度；當發生地震作用時，在地震載荷作用下，地震力超過預載彈簧阻尼器的預載力時，阻尼器會呈現低剛度特性，允許整個望遠鏡發生水平滑移運動，以便消耗地震能量，避免地震力對望遠鏡造成破壞。因為存在一定的預緊力，剛度會發生變化，因此該阻尼器也稱為預緊單元［9-10］。

2.2 三維隔震系統

歐洲39米望遠鏡E-ELT提出了一套集成在混凝土基墩中的三維隔震裝置，望遠鏡基墩由三個直徑分別為52 m、34 m和6 m的混凝土圓墻組成，由底板、頂板和六個弧形墻加固，如圖2所示。

圖2 望遠鏡基墩隔震方案Fig.2 Seismic isolation with the telescope foundations

該隔震系統包括分布在望遠鏡基墩周圍的三種裝置：（1）彈簧元件；（2）將彈簧與粘滯阻尼器結合的元件；（3）預加載裝置（一部分施加在水平方向上，其它施加在垂直方向上，同TMT預載阻尼器原理一樣）。彈簧提供地震事件期間所需的低水平和垂直剛度，而粘滯阻尼器可以減少傳遞到主體結構的位移量［11-13］，該抗震設計較為復雜。

3 新型三維隔震系統及其工作原理

3.1 三維隔震系統的構成

本方案是在TMT二維水平滑移隔震系統的基礎上，額外附加了一套垂直液壓阻尼隔震裝置。水平隔震裝置通過四個雙線性減震器將望遠鏡方位中心樞軸連接至基墩，四個雙線性減震器上施加有預緊力，這樣望遠鏡結構將不會具有較低的固有頻率，并且在運行過程中不會產生大的變形，這對于進行正常的觀測至關重要。但是，在地震事件中，一旦超過我們設定的預載荷值，預載荷就會失效，望遠鏡結構開始相對于基墩移動，來自基墩的加速度會被減震器衰減。圖3顯示了該水平隔震裝置的概念設計圖。

圖3 水平隔震裝置Fig.3 Horizontal isolation mechanism

垂直隔震裝置是將一套附加液壓阻尼裝置嵌入方位軸向靜壓油墊中。這是一種完全被動的系統，該系統基于商業部件，如蓄能器和一種特殊的閥門，一旦壓力超過某個可設定的閾值，該閥門就可以調節為打開，系統剛度降低。望遠鏡原始系統第一模態頻率大約為2 Hz，激活后結構的第一頻率將降低，主結構共振頻率避開反應譜的危險區域。從觸發狀態到正常狀態的轉換是自動的，如圖4。這種解決方案已經被成功應用到大型重載運輸車輛的地面減振系統中，并取得了良好的減振效果。

圖4 附加阻尼系統工作原理圖Fig.4 Working principle of the damping system

3.2 三維隔震系統的工作原理

附加阻尼系統的原理是通過改變望遠鏡方位底盤軸向靜壓油墊中的油量來限制從基墩傳遞到望遠鏡的地震力。當達到力閾值時，液壓油被釋放。從技術上講，力閾值是由蓄能器的氮氣壓力預載施加的，蓄能器通過單向節流閥連接到液壓回路。如果不將釋放出的液壓油重新返回到液壓系統中，望遠鏡軸向支撐將在幾秒鐘內降到靜壓軸承的硬行程極限。因此，在低壓（即低加速度）狀態下，積聚的液壓油會重新流回方位軸向液壓系統，回流受到閥門節流的限制。從動態角度看，將油釋放到蓄能器相當于方位軸向靜壓油墊（非線性彈簧）剛度的變化。

圖5顯示了帶有阻尼系統的垂直減震裝置的簡化機械模型，其中KH的剛度在以下兩個狀態之間切換（amax代表最大允許加速度）：

圖5 簡化機械模型（釋放液壓油到蓄能器改變K H）：m A和m T代表高度軸和方位軸結構，m W代表靜壓油墊Fig.5 Simplified mechanical model（releasing oil into accumulators changes K H）：m A and m T represent the altitude and azimuth structure，and m W represents the hydrostatic oil pad

i.閉式液壓系統的剛度(a(mA+mT)＜amax)；

ii.蓄能器儲氮罐的剛度(a(mA+mT)＞amax)。

這種效應也可以解釋為共振頻率的變化。當阻尼系統在臨界震動下激活時，諧振頻率降低，使系統進入非諧振狀態，地震加速度傳輸到望遠鏡的響應加速度增量明顯減小。因此，系統對地面震動的響應被衰減。

垂直隔震系統的基本概念及其主要創新點是：在觀測過程中，方位軸系在平面內和平面外都是剛性的；而在地震過程中，方位軸系在平面內和平面外都是柔性的。

4 有限元分析與結果評估

4.1 水平滑移隔震系統

為了評估該模型的抗震性能，開發了30米級望遠鏡概念設計模型。

新一代大型地基望遠鏡由靜壓油墊支撐，靜壓油墊在高地震荷載下會發生抬升，從而引起非線性響應。因此，在確定結構的真實響應時，僅進行典型反應譜分析是不夠的。故對望遠鏡結構進行了非線性瞬態有限元分析（FEA），以評估高風險區域并為未來儀器設計開發提供加速度響應參考。

首先分析了水平隔震裝置對望遠鏡的抗震效果，計算了望遠鏡指向天頂和指向水平兩種狀態時的瞬態動力響應，望遠鏡有限元模型如圖6。使用ANSYS進行建模，采用質量單元對非結構儀器和反射鏡進行建模，參考國內外大型望遠鏡地震分析相關技術資料，彈簧單元用于模擬靜壓油墊、直接驅動、中心滑移彈簧以及附加液壓活塞。為了節省計算資源，忽略土壤和混凝土基礎的建模分析。表1列出了模型中使用的彈簧剛度取值。靜夜油墊采用油膜厚度90μm計算。中心滑移彈簧預載啟動力為10 k N。對于結構鋼，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，為了考慮連接質量，增加約15%至9 028 kg/m3，阻尼采用2%。

圖6 望遠鏡有限元模型Fig.6 Finite element model of the telescope

表1 有限元模型中使用的彈簧剛度Tab.1 Spring stiffnesses used in finite element model

用JMA Kobe波作為輸入波［14］，分析發現望遠鏡結構最大響應加速度出現在指向天頂時的副鏡位置。圖7和圖8分別顯示了無隔震系統和有隔震系統時最大加速度響應的時間歷程。Input表示輸入波，Server代表副鏡加速度響應。從圖7可以確認，沒有隔震系統的望遠鏡機架的響應會發生放大效應，其對輸入的放大率在南北（NS）方向約為142%，東西（EW）方向約為145%，垂直（UD）方向為約369%。另一方面，如圖8所示，隔震系統可以抑制響應加速度，其放大率在NS方向約為22%，EW方向約為38%，UD方向為200%。雖然隔震系統的UD方向響應大于輸入，但相比之下，隔震效果有了明顯提升，證明了水平滑移隔震裝置良好的隔離性能。

圖7 無二維隔震裝置時間歷程Fig.7 Time histories without 2D seismic isolation mechanism

圖8 帶二維隔震裝置時間歷程Fig.8 Time histories with 2D seismic isolation mechanism

4.2 垂直隔震系統分析

對垂直隔震裝置進行了地震響應分析，輸入波為上述JMA Kobe波和附加的JMA Tomakomai波。JMA Kobe波在震源附近觀測到，其卓越周期小于1 s。JMA Tomakomai波包含約10 s的長周期分量。

阻尼系統附加（非線性）部件蓄能器的膨脹受到蓄能器初始容積的限制。其具體參數由供應商提供，見參考文獻［15］，壓力變化由絕熱氣體方程模擬，循環時間遠低于2 min。

對于入口和出口流量特性，參考文獻［16］中TCV數據表中的節流、止回閥特性以查找表的形式應用，如圖9。

圖9 博世TCV特性表（選擇曲線4）Fig.9 TCV characteristics from Bosch Rexroth（No.4 chosen）

阻尼系統包含3個調諧參數：

（1）蓄能器容積：它影響阻尼狀態下的等效蓄能器剛度。蓄能器容量越大，地面振幅輸入望遠鏡的峰值加速度的數值越小。但是蓄能器可吸收的油量受系統中總油量的限制，并且靜壓油墊內部活塞動態范圍和蓄能器接口處的尺寸也存在限制。

（2）氮氣壓力：它定義了阻尼系統激活的閾值。壓力越低，共振情況下產生的加速度就越小。但是，最小壓力是有限的。將該值設置得太低會影響工作范圍，并可能導致低頻振蕩問題。

（3）節流閥設置：在低壓狀態下，節流閥限制回流量。因此，它影響了振動的阻尼。開口越小，阻尼越大。但是，由于在地震響應中的一段時間內需要將所有機油回流到液壓系統中，因此較低的值受到限制。否則，蓄能器將建立更高的壓力閾值。

經過分析優化后確定，在20℃情況下，蓄能器的標稱容積為9.3 L，預載為362 bar。氮氣壓力高于負載系統中的標稱壓力（大約290 bar）。因此，在正常操作期間，蓄能器內不會儲存液壓油。對于節流止回閥，通過模擬建議節流設定為10%～15%，以抑制液壓管路中的高頻振動。其計算后靜壓油墊內嵌液壓活塞的初始剛度為5×1010N/m，啟動閾值為600 k N，激活后剛度為3.6×105N/m。

圖10和圖11顯示了帶有液壓阻尼的隔震系統的兩種地震波響應時間歷程。隔震系統對長卓越周期波和短卓越周期波的響應加速度都很小，因此該系統具有足夠的隔震性能。響應加速度不超過0.009 8 m/s2。因此，該分析確認了垂直隔震系統充分的隔震性能。液壓阻尼產生的加速度衰減能力明顯優于傳統隔震系統。后期我們將進一步對該系統進行試驗驗證以及參數修正優化。

圖10 JMA Kobe波地震響應Fig.10 Seismic response result of JMA Kobe

圖11 JMA Tomakomai波地震響應Fig.11 Seismic response result of JMA Tomakomai

5 結 論

本文為了滿足大型地基光學望遠鏡的抗震要求，提出了具有獨特特點的三維隔震系統方案，具有強大的隔震性能，結構主要包括附加液壓阻尼和水平滑移系統。其中附加液壓阻尼是一種非常有效的隔震裝置，通過使用液壓流體使望遠鏡浮動，可使上部望遠鏡結構的自然周期大大延長。大量的非線性瞬態有限元分析結果表明：在二維滑移隔震情況下，望遠鏡最大響應加速度NS方向為0.673 m/s2，EW方向為0.881 m/s2，UD方向為2.56 m/s2；嵌入附加液壓阻尼隔震裝置后，UD方向加速度衰減為0.009 8 m/s2，證實了附加液壓阻尼的三維隔震系統在三個空間維度上均具有良好的隔震性能。