向心關(guān)節(jié)軸承撐桿上節(jié)點的設(shè)計

0向心關(guān)節(jié)軸承及其垂向鋼架結(jié)構(gòu)軸向彎曲是空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中常見的彎曲連接形式，具有明顯的傳統(tǒng)能力和可靠的特點。但是銷軸鉸的構(gòu)造決定了它只能實現(xiàn)單向轉(zhuǎn)動,面對日益復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式和約束條件,工程師將向心關(guān)節(jié)軸承與銷軸鉸結(jié)合起來,獲得了更好的鉸接性能。目前,國內(nèi)的張慎偉等將向心關(guān)節(jié)軸承用于鋼桁架鉸支座,并完成了節(jié)點試驗研究及有限元分析;陳興等將向心關(guān)節(jié)軸承應(yīng)用于樹形柱與鋼管混凝土柱和屋蓋下弦連接節(jié)點;王帥、潘漢明等將向心關(guān)節(jié)軸承應(yīng)用于梁柱節(jié)點中,并進(jìn)行了節(jié)點試驗研究及有限元分析;陳以一等將向心關(guān)節(jié)軸承作為轉(zhuǎn)動核心應(yīng)用于Y形柱-梁連接節(jié)點,對該節(jié)點進(jìn)行了足尺試驗,著重考察了向心關(guān)節(jié)軸承的傳力性能和轉(zhuǎn)動性能;此外寧夏靈武體育場大跨度屋蓋工程中亦采用了向心關(guān)節(jié)軸承鉸支座。本文將向心關(guān)節(jié)軸承引入弦支穹頂結(jié)構(gòu),應(yīng)用于弦支穹頂結(jié)構(gòu)索桿體系中的撐桿上節(jié)點。弦支穹頂索桿體系包含多種形式,如Geiger體系、Levy體系、施威德勒體系和凱威特索桿體系等,其撐桿上節(jié)點分為兩類,即徑向釋放型鉸節(jié)點(銷軸鉸)和鉸接型。在弦支穹頂結(jié)構(gòu)計算理論中,撐桿與上部結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足鉸接假定,因此鉸接型撐桿上節(jié)點越來越受到重視。目前國內(nèi)已建成的20余座弦支穹頂結(jié)構(gòu)中,鉸接型撐桿上節(jié)點包括球鉸萬向可調(diào)撐桿上節(jié)點和半球鉸萬向可調(diào)撐桿上節(jié)點兩種。但是這兩種節(jié)點加工工藝均比較復(fù)雜,往往需要鑄造成型。考慮到實際撐桿的環(huán)向擺動幅度有限,本文將已有的徑向釋放型鉸節(jié)點與向心關(guān)節(jié)軸承結(jié)合,形成了向心關(guān)節(jié)軸承撐桿上節(jié)點。該節(jié)點將向心關(guān)節(jié)軸承作為撐桿上節(jié)點的轉(zhuǎn)動核心,利用向心關(guān)節(jié)軸承的轉(zhuǎn)動能力,使撐桿既可以沿徑向自由擺動,又可在一定范圍內(nèi)沿環(huán)向擺動,即在一定范圍內(nèi)形成萬向鉸節(jié)點。該節(jié)點滿足了弦支穹頂結(jié)構(gòu)中關(guān)于撐桿約束的計算假定,且實現(xiàn)方式簡單、經(jīng)濟。向心關(guān)節(jié)軸承撐桿上節(jié)點已經(jīng)應(yīng)用于東亞運動會團泊自行車館弦支穹頂結(jié)構(gòu)中,本文首先介紹向心關(guān)節(jié)軸承撐桿上節(jié)點的構(gòu)造,然后選取工程實際足尺試件進(jìn)行承載力試驗研究,并利用大型通用有限元分析軟件ANSYS對試件進(jìn)行考慮接觸行為的非線性有限元模擬分析,研究節(jié)點承載力以及各部件的受力特性,在此基礎(chǔ)上研究該節(jié)點的設(shè)計方法。1主框架軸的設(shè)計包括支撐桿的上節(jié)點結(jié)構(gòu)1.1機械轉(zhuǎn)動零件向心關(guān)節(jié)軸承(radialsphericalplainbearing)是關(guān)節(jié)軸承的一種,由一個外球面內(nèi)環(huán)和一個內(nèi)球面外環(huán)組成(圖1),主要應(yīng)用于只承受徑向力或主要承受徑向力,同時承受較小的軸向力的連接中。它具有抗腐蝕、耐磨損以及自調(diào)心等特點,常作為進(jìn)行低速擺動運動、傾斜運動和旋轉(zhuǎn)運動機械部件的轉(zhuǎn)動零件。將向心關(guān)節(jié)軸承置于撐桿耳板銷軸孔內(nèi),通過銷軸將撐桿和網(wǎng)殼下弦節(jié)點連接,就形成了向心關(guān)節(jié)軸承撐桿上節(jié)點(圖2)。該節(jié)點充分利用向心關(guān)節(jié)軸承徑向承載能力高、自調(diào)心、萬向轉(zhuǎn)動能力強的特點,有效消除撐桿附加彎矩,滿足撐桿計算假定且相比鑄鋼球鉸節(jié)點構(gòu)造更為簡單。1.2添加乳劑的環(huán)境向心關(guān)節(jié)軸承材料均采用特殊工藝處理,如表面磷化、鍍鉻、滑動面襯里等,因此其具有較高的承載能力和良好的潤滑性能,適宜應(yīng)用于安裝位置受限且工作中無法添加潤滑劑的環(huán)境中。向定漢等進(jìn)行的向心關(guān)節(jié)軸承摩擦性能試驗表明,向心關(guān)節(jié)軸承在607kN徑向壓力作用下內(nèi)、外環(huán)干摩擦系數(shù)為0.067,如采用PTFE自潤滑軸承,其摩擦系數(shù)僅為0.035左右,且在壓力作用下摩擦系數(shù)隨徑向壓力的增大而減小,這些特點使得向心關(guān)節(jié)軸承成為該節(jié)點的“剛性”轉(zhuǎn)動核心,即使在承受軸向壓力時,節(jié)點仍然具有良好的轉(zhuǎn)動能力,避免了因摩擦力過大導(dǎo)致張拉過程中的轉(zhuǎn)動障礙以及預(yù)應(yīng)力摩擦損失,這是傳統(tǒng)銷軸鉸所不具備的性能。2主軸壓試驗2.1軸壓試驗試驗選取工程中足尺撐桿上節(jié)點試件,根據(jù)撐桿實際受力狀態(tài),進(jìn)行軸壓試驗。為方便加載,將下弦節(jié)點球節(jié)點替換成鋼板(圖3),試件各部分材料參數(shù)見表1。2.2基礎(chǔ)荷載分析采用5000kN級別壓力機進(jìn)行軸向壓力加載,分級加載直至試件破壞(圖4)。提取實際工程中包絡(luò)工況下?lián)螚U最大軸力F0=300kN作為基礎(chǔ)設(shè)計荷載。首先以每級F0/3(0.1MN)加載至5F0(1.5MN),此時達(dá)到預(yù)計的彈性承載力極限,然后以每級F0/6(0.05MN)繼續(xù)分級加載,直至壓力機壓頭位移增加但壓力不能繼續(xù)增加,則認(rèn)為試件破壞。2.3應(yīng)力測點位置共布置2個位移測點(圖4),分布在壓力機壓力板對角點,用于相互校核,繪制荷載-位移曲線。試件的測點布置如圖5所示,應(yīng)力測點主要分布在如下位置:1)(1)~(11)號三向應(yīng)變片用于量測雙耳板圓孔周邊應(yīng)力及應(yīng)力擴散情況,其中(9)、(10)號應(yīng)變片用于應(yīng)力校核;2)(12)~(15)號三向應(yīng)變片用于量測撐桿單耳板圓孔周圍應(yīng)力,其中(15)號用于應(yīng)力校核;3)由于向心關(guān)節(jié)軸承尺寸較小,僅在軸承外環(huán)沿切向布置單向應(yīng)變片46~49。2.4軸系承載力分析整個試驗過程沒有出現(xiàn)巨大響聲,沒有發(fā)生任何脆性破壞,試件最終由于撐桿單耳板圓孔上邊緣((13)號應(yīng)變片附近)屈服而喪失承載能力。試件的荷載-位移曲線如圖6所示,由圖可知,試件在承受1.2F0(0.36MN)壓力前處于線性階段,滿足設(shè)計承載力要求;加載至3F0(0.90MN)時,銷軸和雙耳板脫開,單耳板下側(cè)與軸承外環(huán)脫開(圖7);加載至5F0(1.50MN)時,試件荷載-位移曲線開始出現(xiàn)非線性特征,發(fā)展趨于平緩(圖6);加載至7.5F0(2.25MN)時,試件喪失承載力。試驗中測點應(yīng)力最大點為(13)號測點(位于單耳板上),軸向壓力達(dá)到0.5MN時開始進(jìn)入屈服,此時雙耳板測點(3)應(yīng)力僅為112MPa;軸向壓力達(dá)到1.6MN時,雙耳板測點(3)進(jìn)入屈服,如圖8所示;測點(6)、(7)、(8)處應(yīng)力較小,試件始終處于彈性狀態(tài)。卸載后發(fā)現(xiàn),向心關(guān)節(jié)軸承無肉眼可見破壞,節(jié)點轉(zhuǎn)動性能良好;由于軸承材質(zhì)硬度高,軸承外環(huán)在撐桿耳板上留下一條印記;銷軸無明顯變形,如圖10b所示。3非線性方程分析用于考慮接觸3.1實體結(jié)構(gòu)分析該節(jié)點由于引入了向心關(guān)節(jié)軸承,傳力路徑為:撐桿-撐桿耳板-軸承外環(huán)-軸承內(nèi)環(huán)-銷軸-節(jié)點雙耳板-上部結(jié)構(gòu),與銷軸鉸有所不同。上述路徑通過各個部件接觸實現(xiàn),因此該節(jié)點分析時應(yīng)采用考慮接觸的非線性有限元分析方法。本文選用通用有限元分析軟件ANSYS對該節(jié)點分析模擬。考慮到該節(jié)點雙軸對稱,根據(jù)實際尺寸建立1/4模型(圖9)進(jìn)行分析。選取雙線性等向強化本構(gòu)模型BISO模型,彈性模量設(shè)定為2.06×105MPa。所有實體采用20結(jié)點六面體單元SOLID95進(jìn)行剖分;采用CONTAC174單元及TARGET170單元建立柔對柔的面-面接觸以模擬各個部件間的接觸行為,采用增廣的Lagrange法建立、計算接觸關(guān)系,因為此方法對接觸剛度的選取依賴性較低,當(dāng)穿透量達(dá)到穿透容差時就會增加接觸壓力重新迭代。該節(jié)點中共計4個接觸對:接觸1為雙耳板與銷軸接觸面;接觸2為單耳板與軸承外環(huán)接觸面;接觸3為軸承內(nèi)外環(huán)接觸面;接觸4為軸承內(nèi)環(huán)與銷軸接觸面(圖9a)。由于接觸分析中對網(wǎng)格質(zhì)量要求較高,不能直接采用自由網(wǎng)格劃分。需要對幾何模型進(jìn)行切分,并通過線剖分控制映射網(wǎng)格劃分,在接觸面附近細(xì)化六面體網(wǎng)格并通過單元檢查功能消除畸形單元,最終獲得質(zhì)量較高的網(wǎng)格(圖9b)。3.2剛性轉(zhuǎn)動試驗結(jié)果破壞時試件各部件vonMises應(yīng)力有限元分析結(jié)果如圖10所示。由圖10a、10b可看出,試件變形趨勢有限元分析結(jié)果與試驗現(xiàn)象吻合良好。由圖10c~10f可以看出:單耳板自圓孔接觸面至耳板根部大面積屈服;由于雙耳板承壓面積大,耳板與軸承接觸面部分進(jìn)入塑性;軸承內(nèi)、外環(huán)僅在局部應(yīng)力達(dá)到944MPa,均處于彈性工作狀態(tài),與節(jié)點破壞后軸承轉(zhuǎn)動性能良好的試驗現(xiàn)象相符,向心關(guān)節(jié)軸承發(fā)揮了剛性轉(zhuǎn)動核心的作用。典型測點的有限元分析值與實測值對比如圖8所示,可以看出,試驗值與有限元分析值吻合良好。4軸承徑向承載力根據(jù)上文試驗和有限元分析結(jié)果,向心關(guān)節(jié)軸承撐桿上節(jié)點的設(shè)計主要考慮兩個設(shè)計要點:1)為了形成“剛性”轉(zhuǎn)動核心,設(shè)計時應(yīng)以耳板承載力作為控制指標(biāo),確保在節(jié)點達(dá)到極限荷載時,軸承不進(jìn)入或僅有少部分進(jìn)入塑性。因此所選軸承徑向承載力宜大于設(shè)計軸力值4倍以上;2)向心關(guān)節(jié)軸承撐桿上節(jié)點銷軸方向的轉(zhuǎn)動范圍受到軸承轉(zhuǎn)角極限和耳板間距限制,如圖11所示。需根據(jù)實際工程中計算得到撐桿擺動角度要求確定向心關(guān)節(jié)軸承型號、耳板長度以及耳板間距。宜令L1=L2,其中L1為雙耳板在銷軸孔中線以上的長度,L2為單耳板在銷軸孔中線以下的長度;且轉(zhuǎn)角應(yīng)滿足公式[α]=arctan(b/L1)≥α,其中,[α]為極限擺動角度,α為撐桿設(shè)計擺動角度,b為耳板間距。5節(jié)點轉(zhuǎn)動性能通過對向心關(guān)節(jié)軸承撐桿上節(jié)點進(jìn)行足尺試驗和有限元分析,可得如下結(jié)論:1)向心關(guān)節(jié)軸承撐桿上節(jié)點承載力試驗結(jié)果表明,該節(jié)點承載力滿足設(shè)計要求,且節(jié)點喪失承載力后軸承轉(zhuǎn)動性能良好。2)通過