劉東雷,彭良勇

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.廈門歐貝傳動科技股份有限公司，福建 廈門 361006)

某機場鋼屋蓋體系中的樹形柱節(jié)點要求設計成萬向球鉸節(jié)點形式，該節(jié)點應能有效傳遞和支承相鄰部件的軸向力和側(cè)向剪切力，且沿屋架跨度方向與垂直屋架跨度方向有一定的變形協(xié)調(diào)能力。向心關(guān)節(jié)軸承能同時承受徑向和軸向載荷，有一定的轉(zhuǎn)動能力,能滿足空間屋蓋鉸接的設計要求。

自上海浦東國際機場T2航站樓鋼屋蓋樹形柱節(jié)點結(jié)構(gòu)[1-3]在建筑行業(yè)大規(guī)模采用以來，向心關(guān)節(jié)軸承逐漸被證明是樹形柱節(jié)點理想的承載部件，并得到廣泛應用。廣州新電視塔、西安火車北站、鳳凰(北京)國際傳媒中心、大連國際會議中心、淮南奧體中心、上海中心大廈等大型建筑鋼結(jié)構(gòu)項目也采用了該類型的節(jié)點形式。國內(nèi)對向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點設計的研究主要有：文獻[3]將向心關(guān)節(jié)軸承作為轉(zhuǎn)動核心應用于Y形柱-梁連接節(jié)點，并對該節(jié)點進行足尺試驗，分析了向心關(guān)節(jié)軸承的傳力和轉(zhuǎn)動性能；文獻[4]將向心關(guān)節(jié)軸承應用于西安北站主站房結(jié)構(gòu)設計中,通過改進節(jié)點結(jié)構(gòu)設計，解決了節(jié)點超長問題；文獻[5]對向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點受力情況進行試驗，通過對節(jié)點足尺試驗，分析了節(jié)點在拉壓2種工況下的受力性能；文獻[6]將向心關(guān)節(jié)軸承引入弦支穹頂結(jié)構(gòu)的索桿體系，對向心關(guān)節(jié)軸承撐桿上節(jié)點進行了力學試驗及有限元分析，結(jié)果表明該類型節(jié)點力學性能良好，并根據(jù)分析結(jié)果提出了鉸節(jié)點剛性轉(zhuǎn)動核心的概念；文獻[7]介紹了大懸挑鋼結(jié)構(gòu)向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點制作與安裝技術(shù)；文獻[8]研制出一種可雙向滑移向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點，能夠在滿足上述建筑大滑移量要求的前提下對集中應力進行有效抵消，保證建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全。

向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點在建筑中的應用依然處于探索階段，未形成統(tǒng)一的設計規(guī)范與標準，研究方法多以試驗為主，數(shù)值分析為輔，且關(guān)于向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點優(yōu)化設計及選型方面的研究較少。鑒于此，基于Isight平臺，通過參數(shù)化設計節(jié)點部件，設計試驗變量，基于有限元方法對某機場節(jié)點受力情況進行多型號多參數(shù)自動分析計算與對比，得到優(yōu)選方案并進行試驗驗證。

1 向心關(guān)節(jié)軸承鉸接節(jié)點結(jié)構(gòu)與設計要求

樹形柱節(jié)點除包括以向心關(guān)節(jié)軸承為轉(zhuǎn)動與承載核心的部件外，還包含銷軸、雙耳板、單耳板、軸承蓋板、軸承定位套、連接螺栓等部件，如圖1所示。該形式節(jié)點結(jié)構(gòu)部件多，受力復雜，安裝時需先將向心關(guān)節(jié)軸承通過軸承蓋板連接到單耳板上，隨后一起插入到雙耳板內(nèi)，然后放入定位套，插入銷軸，銷軸兩端加銷軸蓋板，并通過高強螺栓將節(jié)點各部件固定在一起。由于節(jié)點空間狹小，安全系數(shù)要求高等特點，設計與裝配困難。

1—定位套；2—銷軸蓋板；3—向心關(guān)節(jié)軸承外圈；4—軸承蓋板；5—向心關(guān)節(jié)軸承內(nèi)圈；6—銷軸；7—單耳板；8—雙耳板圖1 向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of spherical plain bearing joint

機場向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點在滿足承載的前提下應具有以下特點：耐腐蝕，壽命大于50年，免維護，各方向傾角不小于±5°，避免灰塵、雨水等雜質(zhì)進入。

2 基于Isight的向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點優(yōu)化設計

綜合考慮設計要求，向心關(guān)節(jié)軸承應選用寬體、重載GEC系列，各部件材料參數(shù)見表1。其中單耳板、雙耳板尺寸固定，其他部件在滿足強度與空間要求的情況下合理設計。

表1 向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點各部件材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of spherical plain bearing joint components

向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點部件多，安全性要求高，通常先對設計的節(jié)點進行數(shù)值分析，再做足尺試驗驗證。根據(jù)設計經(jīng)驗，需備選多種方案，設計及分析工作量大，如何高效獲取最優(yōu)方案非常重要。Isight是集自動化計算分析和工業(yè)優(yōu)化設計于一體的多學科優(yōu)化設計軟件[9]，能根據(jù)設定的分析流程自動驅(qū)動仿真流程，使其不斷迭代,并能根據(jù)設計目標與約束, 把大量需要人工完成的工作由軟件實現(xiàn)自動化處理，還可以自動尋找最佳方案,大大縮短了產(chǎn)品設計周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。在此，基于Isight優(yōu)化設計平臺對向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點進行優(yōu)化設計，主要流程為：選取向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點部件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為設計變量，制定試驗方案，以設計參數(shù)自動驅(qū)動節(jié)點部件進行有限元分析，提取各部件應力最大值為響應函數(shù)，進一步確定優(yōu)化方案。

2.1 設計變量與試驗方案

機場鋼屋蓋體系中的樹形柱節(jié)點由于空間限制，單耳板與雙耳板尺寸固定，選取影響節(jié)點承載的軸承內(nèi)外圈、銷軸、軸承蓋板、定位套等參數(shù)為設計變量。試驗設計為單因素作用及多因素綜合作用，結(jié)合向心關(guān)節(jié)軸承設計方法與節(jié)點設計要求制定的試驗方案見表2，表中：d為內(nèi)圈內(nèi)徑，B為內(nèi)圈寬度，D為外圈外徑，C為外圈寬度，dk為球徑，d1為定位套內(nèi)徑，D1為定位套外徑，B1為定位套寬度，D2為銷軸直徑，L2為銷軸長度，d3為軸承蓋板內(nèi)徑，D3為軸承蓋板外徑，B3為軸承蓋板寬度。

表2 試驗方案Tab.2 Experimental schemes mm

2.2 節(jié)點部件有限元模型

樹形柱節(jié)點受力為多體接觸問題，為提高分析準確度，采用全尺寸模型。根據(jù)各部件的位置關(guān)系，通過CATIA建立三維模型，如圖2所示，并導入有限元軟件Workbench 19.1中進行分析。網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺寸為5 mm。

圖2 向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點三維模型Fig.2 3D model of spherical plain bearing joint

在軸承內(nèi)外圈、銷軸、定位套、蓋板、耳板之間共建立20組接觸對，內(nèi)外圈接觸面采用摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0.1，其他接觸對均采用Bonded綁定約束。

以節(jié)點受力最不利為原則，根據(jù)設計載荷要求，在單耳板上施加徑向載荷14 750 kN、軸向載荷1 475 kN。

2.3 基于Isight的向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點集成分析

Isight能集成廣泛的商業(yè)CAD/CAE軟件，快速建立復雜的仿真優(yōu)化流程，基于Isight的向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點優(yōu)化分析流程如圖3所示。

圖3 向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點優(yōu)化分析流程圖Fig.3 Flow chart of joint optimization analysis for spherical plain bearing

Isight集成優(yōu)化分析流程主要包括設置集成分析工作流、設計變量的提取與映射、試驗設計、集成分析4個步驟，Isight可將多個應用程序集成在一起，形成復雜的工作流程，實現(xiàn)程序間的參數(shù)和文件傳遞。向心關(guān)節(jié)軸承優(yōu)化分析工作流與數(shù)據(jù)流分別如圖4和圖5所示，采用表2的試驗方案，在惠普Z800工作站上進行集成運算，采用志強雙CPU(2.93 GHz)、12核、48 G內(nèi)存，運算時間約18 h。

圖4 Isitht集成分析工作流Fig.4 Isitht integrated analysis workflow

圖5 Isight 集成分析數(shù)據(jù)流Fig.5 Isight integrated analysis data flow

2.4 結(jié)果分析

節(jié)點加載至徑向載荷14 750 kN、軸向載荷1 475 kN，即1.0倍設計載荷時，向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點各部件最大應力值見表3：各部件應力最大值隨設計尺寸增大而減小，分析原因主要是尺寸變大使接觸面積增加，在載荷不變的情況下接觸應力減小；軸承應力最大，銷軸次之；除方案1外，其他方案各部件應力均在材料屈服強度范圍內(nèi)，說明各部件選材合適。考慮樹形柱機場的特點與安全性要求，設定安全系數(shù)至少為1.5倍，方案8各部件結(jié)構(gòu)均滿足屈服極限安全系數(shù)1.5倍要求，在此以方案8為最終設計方案，方案8向心關(guān)節(jié)軸承內(nèi)徑為330 mm，型號為GEG330XT-2RS-XK。GEG330XT-2RS-XK向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點部件應力云圖如圖6所示，最大值均出現(xiàn)在接觸面上。

圖6 方案8節(jié)點上各部件應力云圖Fig.6 Stress nephogram of each component on joint of scheme 8

表3 向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點各部件最大應力值Tab.3 Maximum stress of spherical plain bearing joint components MPa

3 試驗驗證

機場向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點承載采用足尺試驗，試驗部位根據(jù)施工模型選取矩形柱外側(cè)，試驗目的：1)檢驗關(guān)節(jié)軸承節(jié)點是否滿足設計承載要求；2)分析關(guān)節(jié)軸承節(jié)點在不利載荷工況下的受力、應力-應變規(guī)律及節(jié)點各部件的變形情況；3)通過有限元分析與試驗結(jié)果對比，驗證有限元模型的正確性；4)對軸承的運轉(zhuǎn)情況、磨損程度或可能的破壞程度進行評估。

向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點尺寸大，采用同濟-寶冶全方位加載球進行加載，加載示意圖如圖7所示，該加載裝置適用于任意角度管件的空間節(jié)點加載，加載球內(nèi)部凈加載空間直徑為6 m，其中赤道環(huán)梁上的最大加載載荷達2.94×107N，滿足試驗要求。

1—支承柱；2—下赤道環(huán)梁；3—上赤道環(huán)梁；4—螺栓；5—經(jīng)圈主環(huán)；6—經(jīng)圈A;7—經(jīng)圈B;8—銷軸圖7 同濟-寶冶全方位加載裝置Fig.7 Tongji-Baoye omnidirectional loading device

將試驗節(jié)點及其連接件與下半球連接，再通過頂升滑移系統(tǒng)進行上下半球合并。在赤道平面內(nèi)對節(jié)點施加徑向載荷，在垂直赤道平面方向通過將載荷施加在與外耳板連接的接管上對節(jié)點間接施加軸向載荷，節(jié)點安裝與加載示意圖如圖8所示。

圖8 向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點安裝與加載示意圖Fig.8 Installation and loading diagram of spherical plain bearing joint

根據(jù)承載要求，以節(jié)點受力最不利為原則，對該節(jié)點施加徑向載荷14 750 kN、軸向載荷1 475 kN。為保證徑向、軸向載荷等比例加載，采用分級模式加載，即以0.1Nd(Nd為設計載荷值)為級差，直至加載到1.0Nd。加載時每級載荷穩(wěn)壓2 min后讀取應變、位移，加載結(jié)束后穩(wěn)壓3 min卸載。在加載前進行了5級載荷的預加載，以調(diào)試試驗加載系統(tǒng)和測試系統(tǒng)。

向心關(guān)節(jié)軸承內(nèi)外圈由于空間與位置限制不易放置應變片，根據(jù)卸載后是否發(fā)生塑性變形及是否能正常工作為判斷依據(jù)。參考有限元分析結(jié)果，中耳板與銷軸接觸區(qū)域應力較大，外耳板與銷軸接觸區(qū)域在局部承壓作用下應力也較大，但由于實際結(jié)構(gòu)中軸承蓋板擋住了應力最大區(qū)域，以最靠近應力最大區(qū)域位置布置應變片為原則，在中耳板沿軸承蓋板邊緣位置布置三向應變片Te系列，在軸承蓋板上靠近螺栓邊緣布置Tb系列應變片來檢測蓋板所受應力，在外耳板兩側(cè)均沿銷軸蓋板邊緣典型位置布置三向應變片Td系列檢測外耳板與銷軸的接觸應力。

在加載至設計載荷時，向心關(guān)節(jié)軸承無明顯變形，擺動自如，應變片測點的應變均在彈性范圍內(nèi)。中耳板上等效應力為203 MPa，軸承蓋板上最大等效應力為148 MPa，外耳板上最大等效應力為164 MPa。由于節(jié)點安裝位置的限制，應變片很難準確放置到應力最大處，存在測量誤差，但試驗結(jié)果與有限元分析結(jié)果基本吻合，說明了有限元模型的正確性。

4 結(jié)束語

基于Isight優(yōu)化設計平臺對某機場鋼屋蓋體系中的樹形柱向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點進行優(yōu)化設計，并進行足尺試驗驗證，有限元法與試驗結(jié)果基本吻合，說明優(yōu)化設計方案正確。

在向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點設計中使用Isight優(yōu)化設計平臺可以節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)時間，縮短研發(fā)周期，通過合理選取設計變量，制定適合的試驗設計，結(jié)合數(shù)值模擬與分析，可以為改進與優(yōu)化節(jié)點參數(shù)提供參考。