李心智
(蘇交科集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210000)
利用 ABAQUS軟件對單面微凸體進(jìn)行數(shù)值模擬,并對其正接觸特性進(jìn)行分析。該文將單面微凸接觸問題簡化為一個(gè)剛性壓力針與一個(gè)彈性薄片的接觸問題。從結(jié)構(gòu)的對稱性出發(fā),針對球面、拋物面和余弦面3種不同類型的旋轉(zhuǎn)體,采用了軸對稱元,以提高計(jì)算效率;對一個(gè)橢球,將構(gòu)建一個(gè)1/4的三維結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,考慮到接觸面上的應(yīng)力比較集中,并在此基礎(chǔ)上,對接觸面上的微凸體進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密。該模型以210 GPa的彈性模量和0.3的泊松系數(shù)為基礎(chǔ),對該模型進(jìn)行了數(shù)值模擬[1]。該模型以平面—平面接觸的方式來模擬微凸體和彈性平板的接觸。通過對參考點(diǎn)的“耦合”,使參考點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)向下的位移,來仿真微凸體的接觸特性[2]。根據(jù)上述論述,得到如圖1所示的有限元分析結(jié)果。
圖1 微凸接觸面有限元分析結(jié)果
從接觸模型中獲取了接觸面的法向反力和、最大應(yīng)力值和接觸半徑等數(shù)據(jù),通過等效彈模和壓力頭的幾何尺寸對有限元的結(jié)果進(jìn)行歸一化,將其與 Hetz理論進(jìn)行比較,并得到荷載—位移曲線對比結(jié)果,如圖2所示。
圖2 活荷載—位移曲線
計(jì)算結(jié)果與赫茲理論符合得很好,曲線趨勢一致,數(shù)值相近,證明了有限元模型是正確的。結(jié)合上述有限元模型,得出剛性球體與彈性板接觸的實(shí)際接觸半徑和集中荷載之間的關(guān)系,如公式(1)所示。
式中:a為圓接觸面半徑。P為在球體上施加的荷載大小。R為球半徑。E*為彈性體等效彈模。E*的計(jì)算如公式(2)所示。
式中:E為球體彈性模量。v為球體泊松比。根據(jù)上述公式得到平均接觸應(yīng)力,如公式(3)所示。
式中:A為圓接觸面的面積。
如圖3所示,從大跨度橋梁轉(zhuǎn)體位置平面圖可以看出,轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)包括上、下轉(zhuǎn)盤、球鉸、轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)等。
圖3 大跨度橋梁轉(zhuǎn)體位置平面圖
根據(jù)有限元結(jié)果,提取轉(zhuǎn)動(dòng)前球鉸接觸面上部分點(diǎn)的應(yīng)力和位移,用于分析接觸面上應(yīng)力和位移分布情況,見表1。
進(jìn)一步得出球鉸接觸面平均豎向壓力,如公式(4)所示。
球鉸接觸面在垂直方向上的壓力理論分布,如公式(5)所示。
式中:r為接觸面上任意一點(diǎn)到中心點(diǎn)的直線距離。當(dāng)r的取值為1.1時(shí),此時(shí)p的取值為∞。將有限元計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果得到的應(yīng)力分布對比。在球體表面,垂直壓應(yīng)力在球體表面呈現(xiàn)出中心小,邊緣大的特征。具體分布如公式(6)所示。
式中:p0為接觸面垂直方向荷載。有限元分析得到的應(yīng)力數(shù)值比解析解要大一些,這主要是因?yàn)橛邢拊治鍪墙⒃诎肟臻g體基礎(chǔ)上的,而有限元模型受約束,構(gòu)件尺寸受限,剛性比半空間體大一些,從而導(dǎo)致有限元分析得到的應(yīng)力數(shù)值比解析解要大一些[4]。在動(dòng)荷載作用下,球頭接觸表面的上緣效應(yīng)顯著,近緣區(qū)域的應(yīng)力值比球頭區(qū)域高得多,影響了結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能,影響結(jié)構(gòu)的安全性。
假定滑動(dòng)件和彈性體之間存在著一種接觸,兩個(gè)接觸表面上的應(yīng)力大小相等,這就是最佳接觸條件。在理想的接觸條件下,每一滑塊都會(huì)引起接觸區(qū)域內(nèi)的彈性體發(fā)生一定的變形,而每一滑塊所受到的接觸力,又會(huì)影響到由其他滑塊所引起的彈性體的變形,也就是說,每一滑塊所造成的彈性體的變形,不僅是由自身所受到的接觸力所引起的,而且還會(huì)受到其他滑塊的影響。
在接觸面上產(chǎn)生均勻應(yīng)力的條件下,彈性體上每個(gè)滑塊區(qū)域的實(shí)際變形量,就是對應(yīng)每個(gè)滑塊的優(yōu)化后高度,獲得了這個(gè)數(shù)值,就可以獲得優(yōu)化后的滑塊高度分布,也就是優(yōu)化后的球鉸接觸面上的滑塊高度設(shè)置方法。
以上述理論公式為基礎(chǔ),編寫MATLAB程序,來計(jì)算在彈性體上每個(gè)滑塊區(qū)域的實(shí)際變形量,并輸出每個(gè)滑塊區(qū)域的位置坐標(biāo)點(diǎn)和相應(yīng)的變形量,從而可以反推出每個(gè)滑塊的高度和形狀[5]。利用 MATLAB軟件編制了一套以半空間為基礎(chǔ)的有限元分析軟件,并將其應(yīng)用到有限元分析中,得到了相應(yīng)的應(yīng)力幅值和作用范圍。得到了多個(gè)滑塊彈性體界面的理論平均應(yīng)力,并將其導(dǎo)入到 MATLAB軟件中,結(jié)合上述公式(6)計(jì)算得出平均應(yīng)力值。MATLAB程序的運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。
圖4 MATLAB程序的運(yùn)行結(jié)果
根據(jù)滑塊的空間分布特點(diǎn),可以近似地假定,在相同的圓環(huán)上,兩個(gè)滑塊的高度都是相同的。結(jié)合上述特點(diǎn),確定優(yōu)化設(shè)計(jì)流程:首先,在進(jìn)行下一步的計(jì)算和分析時(shí),先要確定大跨度橋梁轉(zhuǎn)體的質(zhì)量。通過對各滑塊分配的力和各滑塊的接觸表面面積的分析,可以得到各滑塊與彈性體接觸表面的理論平均應(yīng)力,為后續(xù)計(jì)算提供必要的條件。其次,確定每個(gè)滑塊的位置,并使其分布均勻,這也是進(jìn)行計(jì)算的必要條件,將其作為已知條件,然后再將其輸入到程序中。最后獲得滑塊的高度和形狀:將一個(gè)彈性體分散成若干個(gè)結(jié)點(diǎn)。假定各結(jié)點(diǎn)上的滑塊在各結(jié)點(diǎn)上施加一種均勻的應(yīng)力,使各結(jié)點(diǎn)都出現(xiàn)由滑塊引起的位移,使各結(jié)點(diǎn)上的位移量達(dá)到最佳。使接觸表面面積上的所有滑動(dòng)件產(chǎn)生的位移重疊。接觸表面面積的變形,包括形狀和高度,也就是優(yōu)化后的滑塊的形狀和高度。
針對上述大跨度橋梁轉(zhuǎn)體施工中接觸面優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容,對其優(yōu)化效果進(jìn)行計(jì)算和檢驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上,通過計(jì)算,得到在不同位置上,滑塊—彈性體截面的 CPRESS均值,并與優(yōu)化前后的應(yīng)力場進(jìn)行了比較。如圖5所示。
圖5 優(yōu)化前后接觸面應(yīng)力對比
從圖5可以看出,這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的效果非常明顯:在優(yōu)化后,滑塊與彈性體接觸面應(yīng)力值為50MPa~65MPa,邊緣效應(yīng)明顯降低,單個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力值最大只有82MPa,而且在每一個(gè)滑塊上的應(yīng)力也比較平均。但是,在優(yōu)化之前,滑塊接觸面的應(yīng)力值為33MPa~94MPa,存在著顯著的邊緣效應(yīng),在最外側(cè)的滑塊上,單個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力值高達(dá)113MPa,在單個(gè)滑塊上,應(yīng)力分布也比較不均勻,邊緣處的應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于滑塊中心處的應(yīng)力。在優(yōu)化之前,滑板接觸表面的應(yīng)力值由球體中心向球體邊界逐漸增加,在邊界附近的應(yīng)力值迅速增加,邊界效應(yīng)顯著;但是,在優(yōu)化后,因?yàn)閷瑝K的高度分布進(jìn)行了調(diào)整,所以在整體上,每一圈滑塊接觸面的應(yīng)力值都比較均勻,沒有出現(xiàn)明顯的邊緣效應(yīng),因此,與優(yōu)化之前相比,應(yīng)力狀況得到了很大的改善。這表明,該文所提出的球鉸截面優(yōu)化設(shè)計(jì)方法具有很好的效果,可以應(yīng)用到實(shí)際的轉(zhuǎn)體施工中,對大跨度橋梁轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)和生產(chǎn)有很好的指導(dǎo)作用。
該文結(jié)合有限元方法,深入探討了大跨度橋梁轉(zhuǎn)體接觸特性。利用大型有限元軟件 ABAQUS,對該橋的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)展開了數(shù)值仿真,并對其進(jìn)行計(jì)算。在此基礎(chǔ)上,分別采用傳統(tǒng)的無 PTFE滑板和實(shí)際的 PTFE滑板兩種情況,分別對兩種情況下的球鉸界面進(jìn)行了受力分析。該文研究的創(chuàng)新點(diǎn)包括以下3點(diǎn)。1)通過建立微凸體有限元接觸模型,對結(jié)果歸一化處理,將其與Hertz接觸理論解比較,得出仿真結(jié)果與赫茲解析解具有較好的一致性,證明了所建立的微凸體有限元模型是正確的。2)采用 ABAQUS有限元仿真軟件,通過對典型工程實(shí)例與實(shí)際工程實(shí)例的對比,揭示轉(zhuǎn)體在施工過程中接觸界面受力的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),上下球鉸的壓應(yīng)力在整體上都很高,并且呈現(xiàn)出中部小,邊緣大的特征。3)以實(shí)際的 PTFE磁頭為研究對象,以彈性半無限體理論為基礎(chǔ),采用理論推導(dǎo)與程序計(jì)算相結(jié)合的方法研究磁頭高度分布的最優(yōu)設(shè)計(jì)方法。在接觸表面施加均勻應(yīng)力的情況下,在彈性半空間中,每一個(gè)滑動(dòng)件的實(shí)際變形值,即對應(yīng)每一個(gè)滑動(dòng)件的最優(yōu)高度。