基于Isight的機(jī)場(chǎng)用向心關(guān)節(jié)軸承鉸接節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉東雷,彭良勇

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.廈門歐貝傳動(dòng)科技股份有限公司，福建 廈門 361006)

某機(jī)場(chǎng)鋼屋蓋體系中的樹形柱節(jié)點(diǎn)要求設(shè)計(jì)成萬向球鉸節(jié)點(diǎn)形式，該節(jié)點(diǎn)應(yīng)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(shí)承受徑向和軸向載荷，有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)能力,能滿足空間屋蓋鉸接的設(shè)計(jì)要求。

自上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2航站樓鋼屋蓋樹形柱節(jié)點(diǎn)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(diǎn)理想的承載部件，并得到廣泛應(yīng)用。廣州新電視塔、西安火車北站、鳳凰(北京)國(guó)際傳媒中心、大連國(guó)際會(huì)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(xiàng)目也采用了該類型的節(jié)點(diǎn)形式。國(guó)內(nèi)對(duì)向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的研究主要有：文獻(xiàn)[3]將向心關(guān)節(jié)軸承作為轉(zhuǎn)動(dòng)核心應(yīng)用于Y形柱-梁連接節(jié)點(diǎn)，并對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行足尺試驗(yàn)，分析了向心關(guān)節(jié)軸承的傳力和轉(zhuǎn)動(dòng)性能；文獻(xiàn)[4]將向心關(guān)節(jié)軸承應(yīng)用于西安北站主站房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,通過改進(jìn)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了節(jié)點(diǎn)超長(zhǎng)問題；文獻(xiàn)[5]對(duì)向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)受力情況進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)節(jié)點(diǎn)足尺試驗(yàn)，分析了節(jié)點(diǎn)在拉壓2種工況下的受力性能；文獻(xiàn)[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(duì)向心關(guān)節(jié)軸承撐桿上節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)及有限元分析，結(jié)果表明該類型節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能良好，并根據(jù)分析結(jié)果提出了鉸節(jié)點(diǎn)剛性轉(zhuǎn)動(dòng)核心的概念；文獻(xiàn)[7]介紹了大懸挑鋼結(jié)構(gòu)向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)制作與安裝技術(shù)；文獻(xiàn)[8]研制出一種可雙向滑移向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)，能夠在滿足上述建筑大滑移量要求的前提下對(duì)集中應(yīng)力進(jìn)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(diǎn)在建筑中的應(yīng)用依然處于探索階段，未形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，研究方法多以試驗(yàn)為主，數(shù)值分析為輔，且關(guān)于向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)及選型方面的研究較少。鑒于此，基于Isight平臺(tái)，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)部件，設(shè)計(jì)試驗(yàn)變量，基于有限元方法對(duì)某機(jī)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)受力情況進(jìn)行多型號(hào)多參數(shù)自動(dòng)分析計(jì)算與對(duì)比，得到優(yōu)選方案并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 向心關(guān)節(jié)軸承鉸接節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)要求

樹形柱節(jié)點(diǎn)除包括以向心關(guān)節(jié)軸承為轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)結(jié)構(gòu)部件多，受力復(fù)雜，安裝時(shí)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(qiáng)螺栓將節(jié)點(diǎn)各部件固定在一起。由于節(jié)點(diǎn)空間狹小，安全系數(shù)要求高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of spherical plain bearing joint

機(jī)場(chǎng)向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)在滿足承載的前提下應(yīng)具有以下特點(diǎn)：耐腐蝕，壽命大于50年，免維護(hù)，各方向傾角不小于±5°，避免灰塵、雨水等雜質(zhì)進(jìn)入。

2 基于Isight的向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合考慮設(shè)計(jì)要求，向心關(guān)節(jié)軸承應(yīng)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(qiáng)度與空間要求的情況下合理設(shè)計(jì)。

表1 向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)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(diǎn)部件多，安全性要求高，通常先對(duì)設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值分析，再做足尺試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，需備選多種方案，設(shè)計(jì)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(dòng)化計(jì)算分析和工業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)于一體的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件[9]，能根據(jù)設(shè)定的分析流程自動(dòng)驅(qū)動(dòng)仿真流程，使其不斷迭代,并能根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)與約束, 把大量需要人工完成的工作由軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理，還可以自動(dòng)尋找最佳方案,大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。在此，基于Isight優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要流程為：選取向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)部件主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，制定試驗(yàn)方案，以設(shè)計(jì)參數(shù)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)部件進(jìn)行有限元分析，提取各部件應(yīng)力最大值為響應(yīng)函數(shù)，進(jìn)一步確定優(yōu)化方案。

2.1 設(shè)計(jì)變量與試驗(yàn)方案

機(jī)場(chǎng)鋼屋蓋體系中的樹形柱節(jié)點(diǎn)由于空間限制，單耳板與雙耳板尺寸固定，選取影響節(jié)點(diǎn)承載的軸承內(nèi)外圈、銷軸、軸承蓋板、定位套等參數(shù)為設(shè)計(jì)變量。試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求制定的試驗(yàn)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(zhǎng)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(yàn)方案Tab.2 Experimental schemes mm

2.2 節(jié)點(diǎn)部件有限元模型

樹形柱節(jié)點(diǎn)受力為多體接觸問題，為提高分析準(zhǔn)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(dǎo)入有限元軟件Workbench 19.1中進(jìn)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(diǎn)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(duì)，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(duì)均采用Bonded綁定約束。

以節(jié)點(diǎn)受力最不利為原則，根據(jù)設(shè)計(jì)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(diǎn)集成分析

Isight能集成廣泛的商業(yè)CAD/CAE軟件，快速建立復(fù)雜的仿真優(yōu)化流程，基于Isight的向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shè)置集成分析工作流、設(shè)計(jì)變量的提取與映射、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、集成分析4個(gè)步驟，Isight可將多個(gè)應(yīng)用程序集成在一起，形成復(fù)雜的工作流程，實(shí)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(yàn)方案，在惠普Z800工作站上進(jìn)行集成運(yùn)算，采用志強(qiáng)雙CPU(2.93 GHz)、12核、48 G內(nèi)存，運(yùn)算時(shí)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(diǎn)加載至徑向載荷14 750 kN、軸向載荷1 475 kN，即1.0倍設(shè)計(jì)載荷時(shí)，向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)各部件最大應(yīng)力值見表3：各部件應(yīng)力最大值隨設(shè)計(jì)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(yīng)力減小；軸承應(yīng)力最大，銷軸次之；除方案1外，其他方案各部件應(yīng)力均在材料屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，說明各部件選材合適。考慮樹形柱機(jī)場(chǎng)的特點(diǎn)與安全性要求，設(shè)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(shè)計(jì)方案，方案8向心關(guān)節(jié)軸承內(nèi)徑為330 mm，型號(hào)為GEG330XT-2RS-XK。GEG330XT-2RS-XK向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)部件應(yīng)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(diǎn)上各部件應(yīng)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(diǎn)各部件最大應(yīng)力值Tab.3 Maximum stress of spherical plain bearing joint components MPa

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

機(jī)場(chǎng)向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)承載采用足尺試驗(yàn)，試驗(yàn)部位根據(jù)施工模型選取矩形柱外側(cè)，試驗(yàn)?zāi)康模?)檢驗(yàn)關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)是否滿足設(shè)計(jì)承載要求；2)分析關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)在不利載荷工況下的受力、應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律及節(jié)點(diǎn)各部件的變形情況；3)通過有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證有限元模型的正確性；4)對(duì)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)情況、磨損程度或可能的破壞程度進(jìn)行評(píng)估。

向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)尺寸大，采用同濟(jì)-寶冶全方位加載球進(jìn)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(diǎn)加載，加載球內(nèi)部?jī)艏虞d空間直徑為6 m，其中赤道環(huán)梁上的最大加載載荷達(dá)2.94×107N，滿足試驗(yàn)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(jì)-寶冶全方位加載裝置Fig.7 Tongji-Baoye omnidirectional loading device

將試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)及其連接件與下半球連接，再通過頂升滑移系統(tǒng)進(jìn)行上下半球合并。在赤道平面內(nèi)對(duì)節(jié)點(diǎn)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(duì)節(jié)點(diǎn)間接施加軸向載荷，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)受力最不利為原則，對(duì)該節(jié)點(diǎn)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(jí)模式加載，即以0.1Nd(Nd為設(shè)計(jì)載荷值)為級(jí)差，直至加載到1.0Nd。加載時(shí)每級(jí)載荷穩(wěn)壓2 min后讀取應(yīng)變、位移，加載結(jié)束后穩(wěn)壓3 min卸載。在加載前進(jìn)行了5級(jí)載荷的預(yù)加載，以調(diào)試試驗(yàn)加載系統(tǒng)和測(cè)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(yīng)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(yīng)力較大，外耳板與銷軸接觸區(qū)域在局部承壓作用下應(yīng)力也較大，但由于實(shí)際結(jié)構(gòu)中軸承蓋板擋住了應(yīng)力最大區(qū)域，以最靠近應(yīng)力最大區(qū)域位置布置應(yīng)變片為原則，在中耳板沿軸承蓋板邊緣位置布置三向應(yīng)變片Te系列，在軸承蓋板上靠近螺栓邊緣布置Tb系列應(yīng)變片來檢測(cè)蓋板所受應(yīng)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(yīng)變片Td系列檢測(cè)外耳板與銷軸的接觸應(yīng)力。

在加載至設(shè)計(jì)載荷時(shí)，向心關(guān)節(jié)軸承無明顯變形，擺動(dòng)自如，應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變均在彈性范圍內(nèi)。中耳板上等效應(yīng)力為203 MPa，軸承蓋板上最大等效應(yīng)力為148 MPa，外耳板上最大等效應(yīng)力為164 MPa。由于節(jié)點(diǎn)安裝位置的限制，應(yīng)變片很難準(zhǔn)確放置到應(yīng)力最大處，存在測(cè)量誤差，但試驗(yàn)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(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)某機(jī)場(chǎng)鋼屋蓋體系中的樹形柱向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行足尺試驗(yàn)驗(yàn)證，有限元法與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說明優(yōu)化設(shè)計(jì)方案正確。

在向心關(guān)節(jié)軸承節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中使用Isight優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)可以節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，縮短研發(fā)周期，通過合理選取設(shè)計(jì)變量，制定適合的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)合數(shù)值模擬與分析，可以為改進(jìn)與優(yōu)化節(jié)點(diǎn)參數(shù)提供參考。