基于Isight的機場用向心關節軸承鉸接節點優化設計

劉東雷,彭良勇

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 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點要求設計成萬向球鉸節點形式，該節點應能有效傳遞和支承相鄰部件的軸向力和側向剪切力，且沿屋架跨度方向與垂直屋架跨度方向有一定的變形協調能力。向心關節軸承能同時承受徑向和軸向載荷，有一定的轉動能力,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點結構[1-3]在建筑行業大規模采用以來，向心關節軸承逐漸被證明是樹形柱節點理想的承載部件，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構項目也采用了該類型的節點形式。國內對向心關節軸承節點設計的研究主要有：文獻[3]將向心關節軸承作為轉動核心應用于Y形柱-梁連接節點，并對該節點進行足尺試驗，分析了向心關節軸承的傳力和轉動性能；文獻[4]將向心關節軸承應用于西安北站主站房結構設計中,通過改進節點結構設計，解決了節點超長問題；文獻[5]對向心關節軸承節點受力情況進行試驗，通過對節點足尺試驗，分析了節點在拉壓2種工況下的受力性能；文獻[6]將向心關節軸承引入弦支穹頂結構的索桿體系，對向心關節軸承撐桿上節點進行了力學試驗及有限元分析，結果表明該類型節點力學性能良好，并根據分析結果提出了鉸節點剛性轉動核心的概念；文獻[7]介紹了大懸挑鋼結構向心關節軸承節點制作與安裝技術；文獻[8]研制出一種可雙向滑移向心關節軸承節點，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，保證建筑結構穩定、安全。

向心關節軸承節點在建筑中的應用依然處于探索階段，未形成統一的設計規范與標準，研究方法多以試驗為主，數值分析為輔，且關于向心關節軸承節點優化設計及選型方面的研究較少。鑒于此，基于Isight平臺，通過參數化設計節點部件，設計試驗變量，基于有限元方法對某機場節點受力情況進行多型號多參數自動分析計算與對比，得到優選方案并進行試驗驗證。

1 向心關節軸承鉸接節點結構與設計要求

樹形柱節點除包括以向心關節軸承為轉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。該形式節點結構部件多，受力復雜，安裝時需先將向心關節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，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點各部件固定在一起。由于節點空間狹小，安全系數要求高等特點，設計與裝配困難。

1—定位套；2—銷軸蓋板；3—向心關節軸承外圈；4—軸承蓋板；5—向心關節軸承內圈；6—銷軸；7—單耳板；8—雙耳板圖1 向心關節軸承節點結構Fig.1 Structure of spherical plain bearing joint

機場向心關節軸承節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、雨水等雜質進入。

2 基于Isight的向心關節軸承節點優化設計

綜合考慮設計要求，向心關節軸承應選用寬體、重載GEC系列，各部件材料參數見表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 向心關節軸承節點各部件材料參數Tab.1 Material parameters of spherical plain bearing joint components

向心關節軸承節點部件多，安全性要求高，通常先對設計的節點進行數值分析，再做足尺試驗驗證。根據設計經驗，需備選多種方案，設計及分析工作量大，如何高效獲取最優方案非常重要。Isight是集自動化計算分析和工業優化設計于一體的多學科優化設計軟件[9]，能根據設定的分析流程自動驅動仿真流程，使其不斷迭代,并能根據設計目標與約束, 把大量需要人工完成的工作由軟件實現自動化處理，還可以自動尋找最佳方案,大大縮短了產品設計周期，提高了產品質量和可靠性。在此，基于Isight優化設計平臺對向心關節軸承節點進行優化設計，主要流程為：選取向心關節軸承節點部件主要結構參數為設計變量，制定試驗方案，以設計參數自動驅動節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，進一步確定優化方案。

2.1 設計變量與試驗方案

機場鋼屋蓋體系中的樹形柱節點由于空間限制，單耳板與雙耳板尺寸固定，選取影響節點承載的軸承內外圈、銷軸、軸承蓋板、定位套等參數為設計變量。試驗設計為單因素作用及多因素綜合作用，結合向心關節軸承設計方法與節點設計要求制定的試驗方案見表2，表中：d為內圈內徑，B為內圈寬度，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 節點部件有限元模型

樹形柱節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。根據各部件的位置關系，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。網格劃分采用混合網格，最小網格尺寸為5 mm。

圖2 向心關節軸承節點三維模型Fig.2 3D model of spherical plain bearing joint

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

以節點受力最不利為原則，根據設計載荷要求，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的向心關節軸承節點集成分析

Isight能集成廣泛的商業CAD/CAE軟件，快速建立復雜的仿真優化流程，基于Isight的向心關節軸承節點優化分析流程如圖3所示。

圖3 向心關節軸承節點優化分析流程圖Fig.3 Flow chart of joint optimization analysis for spherical plain bearing

Isight集成優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，實現程序間的參數和文件傳遞。向心關節軸承優化分析工作流與數據流分別如圖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 集成分析數據流Fig.5 Isight integrated analysis data flow

2.4 結果分析

節點加載至徑向載荷14 750 kN、軸向載荷1 475 kN，即1.0倍設計載荷時，向心關節軸承節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，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，設定安全系數至少為1.5倍，方案8各部件結構均滿足屈服極限安全系數1.5倍要求，在此以方案8為最終設計方案，方案8向心關節軸承內徑為330 mm，型號為GEG330XT-2RS-XK。GEG330XT-2RS-XK向心關節軸承節點部件應力云圖如圖6所示，最大值均出現在接觸面上。

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

表3 向心關節軸承節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

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

向心關節軸承節點尺寸大，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點加載，加載球內部凈加載空間直徑為6 m，其中赤道環梁上的最大加載載荷達2.94×107N，滿足試驗要求。

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

將試驗節點及其連接件與下半球連接，再通過頂升滑移系統進行上下半球合并。在赤道平面內對節點施加徑向載荷，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點間接施加軸向載荷，節點安裝與加載示意圖如圖8所示。

圖8 向心關節軸承節點安裝與加載示意圖Fig.8 Installation and loading diagram of spherical plain bearing joint

根據承載要求，以節點受力最不利為原則，對該節點施加徑向載荷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。加載時每級載荷穩壓2 min后讀取應變、位移，加載結束后穩壓3 min卸載。在加載前進行了5級載荷的預加載，以調試試驗加載系統和測試系統。

向心關節軸承內外圈由于空間與位置限制不易放置應變片，根據卸載后是否發生塑性變形及是否能正常工作為判斷依據。參考有限元分析結果，中耳板與銷軸接觸區域應力較大，外耳板與銷軸接觸區域在局部承壓作用下應力也較大，但由于實際結構中軸承蓋板擋住了應力最大區域，以最靠近應力最大區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，向心關節軸承無明顯變形，擺動自如，應變片測點的應變均在彈性范圍內。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，但試驗結果與有限元分析結果基本吻合，說明了有限元模型的正確性。

4 結束語

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

在向心關節軸承節點設計中使用Isight優化設計平臺可以節省產品開發時間，縮短研發周期，通過合理選取設計變量，制定適合的試驗設計，結合數值模擬與分析，可以為改進與優化節點參數提供參考。