建筑用球鉸關節結構優化設計與仿真分析

鄒寬城

建筑用球鉸關節結構優化設計與仿真分析

鄒寬城

（福建龍溪軸承（集團）股份有限公司，福建 漳州 363000）

針對某建筑項目抗震所用的球鉸關節結構，通過分析提出原有結構設計的不合理之處，進而對結構進行了優化設計，同時采用仿真分析手段驗證了優化方案的合理性和可靠性。

球鉸；關節軸承；抗震；結構優化

1 引言

球鉸作為一種典型的運動副，具有3個轉動自由度，可繞某一點的任意方向旋轉，在并聯機構中得到越來越多應用[1-2]。球鉸可以采用滑動配合或者滾動配合。滾動球鉸摩擦阻力小，局限性是承載能力差、額定載荷較低，因此在并聯機構設計中仍然以滑動球鉸為主[3]。目前，在建筑抗震設計中，常常使用球鉸關節來釋放建筑結構某些自由度，改善結構內部的應力分布，減少應力集中現象，確保建筑結構的安全。常見球鉸結構有盆式橡膠支座、球型鉸支座，它通過抗震構造和液壓減震元件的緩沖，消化吸收了地震所帶來的沖擊能量，減輕地震對建筑結構的破壞性[4]。

因此，本文利用了球鉸關節的抗震特點，設計并優化了某建筑項目所用到的球鉸關節的結構。該球鉸要求使用年限為50年，建筑鋼結構安全等級為一級，建筑抗震設防為重點設防類。作為鋼結構的鉸接節點，該球鉸結構主要承受拉力，設計載荷為1 000 kN，安全系數取1.5，極限載荷為1 500 kN，旋轉擺動角±6°。為了解該球鉸結構的受力情況，本文采用了有限元軟件，對球鉸關節進行仿真分析，通過對幾何模型的邊界條件設置、接觸對設置、材料模型和網格劃分等要素的設置，建立了球鉸關節的仿真模型。為確保模型受力情況與節點實際受力一致，建模時將底座下部采用螺栓固定，受力桿件承受拉向的極限載荷，以此考察球鉸關節的受力情況，評價結構的合理性和可靠性。

2 原始結構設計方案

2.1 初始設計結構

某建筑項目原有球鉸結構設計方案如圖1所示，主要部件包括球頭桿、球鉸底座、球鉸蓋板三部分，其中球鉸底座和球鉸蓋板以螺紋連接方式鎖固，球頭桿的球頭部分落在底座和蓋板內表面所包圍的球窩中，而球頭桿柄部帶有內螺紋與外部建筑桿件進行連接固定。

初始設計時，三個零件件均選用GCr15材料，熱處理硬度要求為54HRC～60HRC。

圖1 球鉸關節的原始設計方案結構

2.2 結構仿真分析

通過有限元建模仿真分析，原球鉸結構方案的極限載荷作用下的球頭桿應力分布如圖2所示，蓋板應力分布如圖3所示，底座應力分布如圖4所示，位移分布如圖5所示。

圖2 球頭桿應力分布

圖3 蓋板應力分布

圖4 底座應力分布

圖5 位移分布

從應力分布來看，球頭桿最大等效應力為380.5 MPa，出現在球頭桿柄部的內螺紋上，該零件應力較大區域主要在柄部和球面頂部；球鉸蓋板最大等效應力為321.0 MPa，出現在蓋板的頂面開口內倒角處，而內螺紋上部也出現一定程度的應力集中；球鉸底座最大等效應力為176.6 MPa，出現在外圓柱面與下部法蘭的連接處。由圖5可知，球鉸的球頭桿位移量最大，其數值最大為2.073 mm，而底座和蓋板則變形較小，均在1.2 mm以下。

2.3 原結構存在問題

通過觀察原結構設計方案，可以看出該方案存在以下問題：①原設計方案的球鉸關節結構較為簡單，在使用過程中內部球面滑動摩擦副會有磨損、黏合現象，潤滑、防水、防塵與防腐蝕等問題會使產品壽命變短，無法保證50年的使用壽命。②球鉸關節結構的軸向游隙無法精確調整，影響使用安裝精度，容易造成過緊卡死或者過松竄動的現象。③結構受力時，零件內部的應力分布高低差別較大，球頭桿內螺紋、蓋板的頂部端口處存在較大應力集中現象，而整體結構的下部分基本處于低應力區，承載安全系數富裕度較大。④球鉸關節各零件均采用GCr15材料，而零件的壁厚差別較大，在熱處理過程中無法實現整體淬硬，存在表層硬度偏高、芯部硬度偏低現象，在壁厚差別較大的地方更容易引起淬火裂紋、變形不一致的問題，造成產品裝配精度低和使用壽命短等問題。可見，原設計方案并不是最佳方案，需要進一步優化設計球鉸關節節點的結構，改善內部受力和加工所存在的工藝問題。

3 優化設計后方案

3.1 優化后結構

根據上面所述的結構問題，對原有球鉸關節的結構進行了調整，優化后的結構方案如圖6所示。此結構引入了一種關節軸承的新型球鉸結構，零件包括銷軸、底座、底板、兩套帶自潤滑材料角接觸關節軸承和一套防護裝置（包括O形密封圈、環形緊箍圈、不銹鋼波紋管密封罩、內六角螺釘、壓板等組成）。

新舊結構對比，主要變化如下：原有球頭桿零件變為銷軸和關節軸承內圈3個零件，壁厚均勻性較為一致，熱處理變形小、硬度分布更為均勻。球鉸底座和蓋板變為底座、底板和關節軸承外圈4個零件，各零件的壁厚較為一致，熱處理變形小、硬度分布更為均勻。底板與底座采用螺紋連接結構，可起到調整軸承徑向游隙作用，待軸承游隙調整好后，可對底板進行點焊加固，防止螺紋松懈造成游隙變大，從而防止結構受沖擊時帶來的軸向竄動。兩套角接觸關節軸承外圈和內圈材料為鋼/鋼，內圈外球面鑲嵌固體自潤滑材料，可有效保證結構的自潤滑作用，從而實現免維護并延長使用壽命。新結構考慮了防水、防塵、防腐蝕因素，增加了頂部的防護罩等裝置，可防止外部雜物進入內部造成軸承卡死損壞，從而延長產品的使用壽命。新結構的外形尺寸做了適當減小，使結構更加緊湊，內部受力更加合理，質量由原來的350 kg減少至310 kg，減去約11%。

此外，新方案的銷軸可實現360°周向轉動、±10°擺動，能承受軸向和側向高載荷的靜載或動載作用，用在普通建筑的抗震結構中，可承受一般地震沖擊和外部激勵交變載荷的頻繁作用。總之，新結構方案設計易于維護，維護成本低，使用壽命更長。

圖6 優化的球鉸關節設計方案結構

3.2 結構仿真分析

同理，新結構方案的球鉸關節，在軸向極限載荷為1 500 kN作用下，其主要承載零件的等效應力分布及位移分布分別如圖7～圖12所示。

圖7 銷軸應力分布

圖8 上、下軸承外圈應力分布

圖9 上、下軸承內圈應力分布

圖10 底座應力分布

圖11 底板應力分布

圖12 位移分布

從圖7～圖11可看出，銷軸最大等效應力為409.2 MPa，發生在中部凸臺與銷軸連接過渡圓角處；外圈最大等效應力為317.9 MPa，出現在上軸承外圈，而下軸承外圈受力很小；內圈最大等效應力為262.5 MPa，同樣出現在上軸承內圈；底座最大等效應力為345.5 MPa，出現在底部臺階與外圓柱面過渡圓角上；底板最大等效應力為129.8 MPa，出現在螺紋的最下部。

由圖12可知，球鉸結構的最大位移量為3.049 mm，比原結構位移量2.073 mm略大，但此位移屬于彈性變形量，載荷卸除時可恢復原狀態，不影響節點的使用。由此可得，各零件的最大等效應力均低于材料的屈服強度，不僅能夠滿足設計承載載荷要求，而且內部應力分布更加合理、均勻。

4 結論

球鉸結構的原設計方案構造簡單，在潤滑、防水、防塵與防腐蝕方面并未考慮，而且承載時內部應力分布不是非常合理。新優化設計的球鉸關節結構更加緊湊，各零件的壁厚分布更加均勻，內部受力更加合理，而且解決了防水、防塵、防腐蝕和潤滑等問題。優化后的球鉸結構質量比原來的減輕了40 kg，所減質量比例達到了11%。

［1］劉天柱.基于3-RPS并聯機構的自調平升降機設計與研究［D］.淄博：山東理工大學，2017.

［2］苗蓉.基于BP神經網絡的并聯機構誤差分析［J］.機床與液壓，2017，45（11）：13-17.

［3］劉良寶，吳振強，張潔，等.滑動球鉸的精度分析及減摩優化［J］.航空精密制造技術，2018，54（6）：28-31，36.

［4］金巧，謝飛.民用建筑抗震滑移球鉸支座應用［J］.江蘇建筑，2013（5）：24-26.

TH112

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.057

2095－6835（2019）16－0130－02

〔編輯：嚴麗琴〕