超高稳定性的支撑架结构及其使用方法和设计方法

摘要

本发明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。

权利要求

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；

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；

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。

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。

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，第一方管内灌砂。

5.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。

6.根据权利要求5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内六角推杆进行连接；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。

7.权利要求1～6任一项所述超高稳定性的支撑架结构的使用方法，其特征在于，基于降低质量、降低质心高度的原则，选用密度低、具有高弹性模量、线膨胀系数小且为负值的碳纤维制作固定支架的上部，选用高密度、线膨胀系数小且为正值的超因瓦合金或因瓦合金制作固定支架的下部，选用高密度、线膨胀系数小且为正值、无磁性的特种钢材料或钼镐钛合金材料或钛合金材料制作调节支架；使得固定支架上部的线膨胀数值与其上下两侧的固定支架下部、调节支架的线膨胀数值互相抵消，从而提高支撑架结构的热稳定性；同时，固定支架上部的质量和密度小于固定支架下部的质量和密度，从而降低固定支架的质心，同时利用碳纤维材料的高弹性模量增加固定支架的刚度，提高固定支架的振动稳定性。

8.权利要求1～6任一项所述超高稳定性的支撑架结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用ANSYS软件对已设计的固定支架各组成部件的尺寸及连接方式进行模态分析和比较优化；

(2)采用ANSYS软件对支撑架的整体结构进一步模态分析、结构动力学分析、谐响应分析和拓扑优化，获取最大的本征频率和最小的振幅放大比例，以及对应的各组成部件尺寸分布，获得最小的线膨胀数值；

(3)采用特种钢材料、钼锆钛合金材料或钛合金材料中的一种或多种制作调节支架的各组成部件，采用碳纤维制作固定支架上部的各组成部件，采用超因瓦合金或因瓦合金制作固定支架下部的各组成部件；然后将各组成部件进行组装形成支撑架结构的样机；

(4)采用混凝土二次灌浆的方法对样机进行地面固定，往支撑架结构内灌砂进行缓冲以减少底部振动传递至顶部的振动幅值；然后通过锤击法和振动探测器测量支撑架结构的特征频率和振动幅值，从而获得最佳的地面固定方式，同时验证支撑架结构实际的本征频率、振幅放大比例是否与步骤(2)的模拟结果相近。

说明书

超高稳定性的支撑架结构及其使用方法和设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高能物理领域，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。

背景技术

[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。

发明内容

[0005] 本发明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] 本发明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] 本发明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] 本发明的技术方案为：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。

[0019] 上述调节支架制作和装配时，水平调节动板、高程调节螺杆、支撑螺柱、支撑筋之间均采用氩弧焊方式固定连接。

[0020] 上述超高稳定性的支撑架结构的使用方法为：基于降低质量、降低质心高度的原则，选用密度低、具有高弹性模量、线膨胀系数小且为负值的碳纤维制作固定支架的上部，选用高密度、线膨胀系数小且为正值的超因瓦合金或因瓦合金制作固定支架的下部，选用线膨胀系数小且为正值、无磁性的特种钢材料、钼镐钛合金或钛合金材料制作调节支架；使得固定支架上部负的线膨胀数值与其上下两侧的固定支架下部、调节支架正的线膨胀数值相互抵消，从而提高支撑架结构的热稳定性；同时，固定支架上部的质量和密度小于固定支架下部的质量和密度，从而有效降低固定支架的质心，同时利用碳纤维材料的高模量增加固定支架的刚度，有效提高固定支架的振动稳定性。其中，由于固定支架的振动稳定性可通过下述等式方程计算获得，建立无阻尼、质量‑刚度模型，得到等式方程：

[0021]

[0022] 其中，[M]为质量矩阵，[K]为刚度矩阵， 为加速度向量，[X]为位移向量。根据方程计算结果，固定支架的本征频率随着固定支架的质量、质心高度的减少而提高，随着刚度的增加而提高，为以下结构设计方法提供指导设计原则。

[0023] 上述超高稳定性的支撑架结构的设计方法为：包括以下步骤：

[0024] (1)采用ANSYS软件(即有限元分析软件)对已设计的固定支架各组成部件的尺寸及连接方式进行模态分析和比较优化；

[0025] (2)采用ANSYS软件对支撑架的整体结构进一步模态分析、结构动力学分析、谐响应分析和拓扑优化，获取最大的本征频率和最小的振幅放大比例(即其最大的一阶和二阶本征频率以及最小的线膨胀值；其中，一阶本征频率在束流方向上，要求大于50Hz，以避开地基共振；二阶本征频率主要是绕高程旋转或水平横向，会影响测量精度，要求大于100Hz，以降低振幅放大比例)，以及对应的各组成部件尺寸分布，从而获得最小的线膨胀数值；

[0026] (3)采用特种钢材料、钼锆钛合金材料或钛合金材料中的一种或多种制作调节支架的各组成部件，采用碳纤维制作固定支架上部的各组成部件，采用超因瓦合金或因瓦合金制作固定支架下部的各组成部件；然后将各组成部件进行组装形成支撑架结构的样机；

[0027] (4)采用混凝土二次灌浆的方法对样机进行地面固定(可采用全灌浆方式、部分灌浆方式、预埋板方式或地脚锚固方式)，往支撑架结构内灌砂进行缓冲以减少底部振动传递至顶部的振动幅值；然后通过锤击法和压电加速度计、振动传感器测量支撑架结构的本征频率和振动幅值，从而获得最佳的地面固定方式，同时验证支撑架结构实际的本征频率、振幅放大比例是否与步骤(2)的模拟结果相近。

[0028] 通过上述设计方法获得的支撑架结构，其地基建设和浇筑都经过严格设计施工，并经过测量，在0～100Hz的振动有效值处在25nm以内(25nm以上的偶然振动很少，可忽略不计)，振动源峰值小于50Hz，为避免与振动源发生共振，支撑架结构的本征频率应大于50Hz(其中，一阶本征频率在束流方向上，要求大于50Hz，以避开与地基振动频率相近而产生共振，导致振幅的极大增长；二阶本征频率主要是绕高程旋转或水平横向，均会影响测量精度，因此要求频率尽量大，超过100Hz(中频振动范围是0.1～100Hz)，以降低振幅放大比例)。

[0029] 所获得的支撑架结构整体高度超过1200mm，束流方向的宽度不超过100mm，而其横向尺寸没有严格限制，但也应该小于500mm。其中调节支架的调节范围为：在高程方向(即竖直方向)为±10mm，在水平方向(即水平横向和束流方向)分别为±8mm。

[0030] 本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

[0031] 本超高稳定性的支撑架结构通过采用线膨胀系数低且为负值的碳纤维(即CTE＜0)和线膨胀系数低且为正值的超因瓦合金或因瓦合金，KEL‑11特种钢或钼锆钛合金或钛合金(即CTE＞0)进行搭配使用，利用其温度引起的结构形变结果相互抵消而趋于0，实现提高支撑架结构的热稳定性。同时，采用以低密度、高弹性模量的碳纤维材料居上，高密度、高弹性模量的超因瓦合金材料或因瓦合金材料居下来降低质心高度，增加支撑架刚度，有效实现提高支撑架结构的振动稳定性(其一阶本征频率接近100Hz，二阶本征频率远大于
100Hz)。另外，还可进一步采用支撑架内部灌砂的方式来缓冲减振，以减少支撑架底部振动传递至支撑架顶部的振动幅值。

[0032] 本超高稳定性的支撑架结构不仅能应用于束流位置探测器的超高稳定性支撑要求，同样可以应用于其它位置、其它探测器的超高稳定性支撑，其适用范围较广。

[0033] 通过本发明获得的超高稳定性的支撑架结构为纯刚度支撑架，能够实现更高的本征频率、更低的线膨胀值，能更好地实现设计要求。

附图说明

[0034] 图1为本超高稳定性的支撑架结构的整体结构示意图。

[0035] 图2为图1中固定支架的结构示意图。

[0036] 图3为图1中调节支架的主体结构示意图。

[0037] 图4(a)为采用全灌浆方式对支撑架结构进行地面固定时的原理示意图。

[0038] 图4(b)为采用部分灌浆方式对支撑架结构进行地面固定时的原理示意图。

[0039] 图4(c)为采用地脚锚固方式对支撑架结构进行地面固定时的原理示意图。

[0040] 图4(d)为采用预埋板固定方式对支撑架结构进行地面固定时的原理示意图。

[0041] 上述各图中，各附图标记所示部件如下：1为固定支架，2为调节支架；3为支撑底板，4为下部连接管，4‑1为第一方管，4‑2为筋板，5为上部连接管，5‑1为第二方管，5‑2为碳纤维隔板，6为顶板；7为固定螺栓侧板，8为调节挡块，9为水平调节动板，10为高程调节螺杆，11为第一内六角推杆，12为通孔，13为第二内六角推杆，14为凸球形垫片，15为凹球形垫片，16为调节螺母，17为支撑筋，18为地基，19为地脚螺栓，20为高强无收缩灌浆料，21为预埋板，22为支撑螺柱。

具体实施方式

[0042] 下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

[0043] 实施例1

[0044] 本实施例一种超高稳定性的BPM支撑架结构，如图1所示，包括固定支架1和调节支架2，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、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。本实施例中，调节支架的主体(包括下述水平调节动板、水平调节底板等部件)采用钛合金制作，其余部件(如螺杆、螺柱等部件)采用钼镐钛合金制作。另外根据实际需要和材料获取情况，调节支架也可采用型号为KEL‑11的特种钢材料制作，该材料是日本东北特钢开发的产品，相比钼镐钛合金或钛合金材料，具有更低的线膨胀系数，但其受众面较小，目前市面上难以购买得到。

[0045] 如图2所示，固定支架包括由下至上依次连接的支撑底板3、下部连接管4、上部连接管5和顶板6。下部连接管包括第一方管4‑1和筋板4‑2，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。第一方管内灌砂，灌砂操作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动幅值。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5‑1，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5‑2，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；位于最下层的连接管结构中各第二方管对应套入第一方管内连接固定。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17，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；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，再利用螺钉或铆钉固定，最后在螺钉处进行点焊防止松退。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。

[0046] 上述固定支架中，顶板也作为调节支架的水平调节底板；沿束流位置探测器的水平横向，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7，水平调节底板的顶面设有调节挡块8。

[0047] 如图1或图3所示，调节支架包括水平调节动板9、多个高程调节螺杆10和支撑螺柱22，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11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12，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13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以及绕高程方向的旋转角度；第一内六角推杆和第二内六角推杆在水平面内相垂直设置，即第一内六角推杆沿束流位置探测器的水平横向设置，第二内六角推杆沿束流位置探测器的束流方向设置。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(即绕束流方向和水平横向)的旋转微调。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以及绕高程方向的旋转角度。此外，各高程调节螺杆上同轴设有凸球形垫片14、凹球形垫片15和调节螺母16，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还设有支撑筋17。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，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。上述调节支架制作和装配时，水平调节动板、高程调节螺杆、支撑筋之间均采用氩弧焊方式固定。

[0048] 上述超高稳定性的BPM支撑架结构的使用时，其方法和原理为：基于降低质量、降低质心高度的原则，选用密度低、具有高弹性模量、线膨胀系数小且为负值的碳纤维制作固定支架的上部，选用高密度、线膨胀系数小且为正值的超因瓦合金或因瓦合金制作固定支架的下部，选用高密度、线膨胀系数小且为正值、无磁性的特种钢材料或钼镐钛合金材料或钛合金材料制作调节支架；使得固定支架上部负的线膨胀数值与其上下两侧的固定支架下部、调节支架的正线膨胀数值相互抵消，从而提高支撑架结构的热稳定性；同时，固定支架上部的质量和密度小于固定支架下部的质量和密度，从而降低固定支架的质心，同时利用碳纤维材料的高弹性模量增加支撑架刚度，有效提高固定支架的振动稳定性。其中，由于固定支架的振动稳定性可通过下述等式方程计算获得，建立无阻尼、质量‑刚度模型，得到等式方程：

[0049]

[0050] 其中，[M]为质量矩阵，[K]为刚度矩阵， 为加速度向量，[X]为位移向量。根据方程计算结果，固定支架的特征频率会随着固定支架的质量、质心高度的减少而提高，随着刚度的增加而提高。也为其结构设计方法提供指导设计原则。

[0051] 实施例2

[0052] 本实施例提供一种实施例1所述超高稳定性的BPM支撑架结构的设计方法为：包括以下步骤：

[0053] (1)采用ANSYS软件(即有限元分析软件)对已设计的固定支架各组成部件的尺寸及连接方式进行模态分析和比较优化；

[0054] (2)采用ANSYS软件对支撑架结构的整体结构进一步模态分析、结构动力学分析、谐响应分析和拓扑优化，获取最大的本征频率和最小的振幅放大比例(即其最大的一阶和二阶本征频率以及最小的线膨胀值；其中，一阶本征频率在束流方向上，要求大于50Hz，以避开地基共振；二阶本征频率主要是绕高程旋转或水平横向，会影响测量精度，要求大于100Hz，以降低振幅放大比例)，以及对应的各组成部件尺寸分布，从而获得最小的线膨胀数值；

[0055] (3)采用特种钢材料、钼锆钛合金材料或钛合金材料中的一种或多种制作调节支架的各组成部件，采用碳纤维制作固定支架上部的各组成部件，采用超因瓦合金或因瓦合金制作固定支架下部的各组成部件；然后将各组成部件进行组装形成支撑架结构的样机；

[0056] (4)采用混凝土二次灌浆的方法对样机进行地面固定(可采用全灌浆方式(如图4(a)所示)、部分灌浆方式(如图4(b)所示)、地脚锚固方式(如图4(c)所示)或预埋板固定方式(如图4(d)所示))，将支撑架结构的支撑底板3安装于地基18上，通过地脚螺栓19进行固定后，采用高强无收缩灌浆料20在支撑底板外周进行全灌浆、部分灌浆或不灌浆，或者采用预埋板21进行固定；然后往支撑架结构内灌砂进行缓冲以减少底部振动传递至顶部的振动幅值；再通过锤击法和压电加速度计、振动传感器测量支撑架结构的本征频率和振动幅值，从而获得最佳的地面固定方式，同时验证支撑架结构实际的本征频率、振幅放大比例是否与步骤(2)的模拟结果相近。

[0057] 通过上述设计方法获得的BPM支撑架结构，其地基建设和浇筑都经过严格设计施工，并经过测量，在0～100Hz的振动有效值处在25nm以内(25nm以上的偶然振动很少，可忽略不计)，振动源峰值小于50Hz，为避免与振动源发生共振，BPM支撑架结构的本征频率应大于50Hz(其中，一阶本征频率在束流方向上，要求大于50Hz，以避开与地基振动频率相近而产生共振，导致振幅的极大增长；二阶本征频率主要是绕高程旋转或水平横向，均会影响测量精度，因此要求频率尽量大，超过100Hz(中频振动范围是0.1～100Hz)，以降低振幅放大比例。

[0058] 所获得的支撑架结构整体高度超过1200mm，束流方向的宽度不超过100mm，而其横向尺寸没有严格限制，但也应小于500mm。其中调节支架的调节范围为：在高程方向(即竖直方向)为±10mm，在水平方向(即水平横向和束流方向)分别为±8mm。

[0059] 如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。