隨動(dòng)式抗拉橡膠支座的有限元模擬研究

陳雪雪 潘文 周興 孫玥

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500； 2.云南省抗震工程技術(shù)研究中心 昆明 650500；3.云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 昆明 650000)

0 引言

現(xiàn)在國內(nèi)隔震建筑越來越多，橡膠隔震支座具有水平剛度低、豎向抗壓剛度及受壓承載力高等特性[1-2]，但在大高寬比高層建筑中或強(qiáng)震作用下的建筑可能出現(xiàn)隔震支座受拉現(xiàn)象[3]，從而引起結(jié)構(gòu)傾覆或橡膠支座性能退化等影響結(jié)構(gòu)安全的問題?，F(xiàn)有提高支座抗拉能力的辦法是設(shè)置抗拉限位裝置，一種抗拉限位裝置是獨(dú)立的位于隔震層中，不影響隔震支座，但這種限位裝置的剛度和連接間歇值難以確定；另一種是抗拉限位裝置和隔震支座共同組成一個(gè)支座，但此時(shí)隔震支座的水平和豎向剛度將會(huì)受到影響，減震效果有所降低[4]。

鑒于此，設(shè)計(jì)提出一種安全有效的新型抗拉橡膠支座——隨動(dòng)式抗拉橡膠支座，設(shè)計(jì)理念是借鑒汽車機(jī)械中安全帶卷收器的緊急鎖止功能和拉出回卷功能，在天然橡膠支座上下各增加一塊法蘭板，并在四個(gè)角分別模擬出抗拉裝置，利用ABAQUS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行研究，以驗(yàn)證其變形情況和抗拉性能。

1 卷收器的基本原理

1.1 卷收器的結(jié)構(gòu)組成

卷收器是汽車安全帶的關(guān)鍵裝置，起到保護(hù)駕駛員的關(guān)鍵作用[5]。緊急鎖止式卷收器結(jié)構(gòu)組成見圖1。

1.卷簧蓋；2.卷簧；3.卷簧壓蓋；4.扭力桿；5.限位銷；6.旋轉(zhuǎn)軸心；7.支架；8.動(dòng)軸；9.棘爪；10.外齒圓盤；11.帶感組件；12.車感組件；13.鎖止蓋

1.2 卷收器用作抗拉裝置

卷收器只有在一定加速度下才會(huì)由于慣性力鎖定，一般情況下可以跟隨織帶隨意運(yùn)動(dòng)，未鎖定前不會(huì)有很大的剛度。其具有的自動(dòng)織帶卷收功能[6]，讓隔震支座在沒有拉力產(chǎn)生時(shí)正常發(fā)揮隔震作用，不影響支座剛度，而在支座有一定拉力產(chǎn)生時(shí)可以發(fā)揮其抗拉作用并能很好的復(fù)位，這就能很好的解決一般抗拉限位裝置剛度過大或間隙值難以控制的問題；另外，通過調(diào)整卷收器的幾何尺寸參數(shù)、慣性塊的質(zhì)量、慣性彈簧的剛度、織帶的剛度從而調(diào)整抗拉裝置鎖止的加速度、鎖止的力和鎖止的位移，使其在橡膠支座產(chǎn)生拉力的時(shí)候可抵抗拉力。

2 卷收器ABAQUS有限元模型的建立

2.1 幾何模型

由于卷收器模型較復(fù)雜，用其做抗拉裝置只需擁有其鎖定和自復(fù)位功能[7]，所以在建模時(shí)對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)簡化。簡化的卷收器在ABAQUS[8]中分別由織帶、織帶殼、支架、卷軸、棘爪、盤簧和盤簧蓋組成，能夠?qū)崿F(xiàn)卷收器功能。其中織帶殼體的厚度設(shè)置為0.81 mm，盤簧殼體厚度為1.2 mm。

2.2 材料屬性

(1)鋼材

鋼材采用兩種材料，一種是機(jī)械中常用的Q500鋼材，用于構(gòu)件上的棘爪、支架、卷軸材料設(shè)定，另一種是用于盤簧的彈簧鋼材，它能夠提供較大的恢復(fù)力，具體參數(shù)見表1。

表1 鋼材對(duì)應(yīng)的參數(shù)值

(2)織帶

織帶采用的弾性模型為單層板，能很好的模擬織帶的力學(xué)性能，具體參數(shù)值見表2，其中織帶的密度設(shè)置為1 g/cm3。

表2 織帶單層板模型參數(shù)表

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分前需要先為部件選擇相應(yīng)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中織帶和盤簧為殼體，選擇的單元為S4R 四結(jié)點(diǎn)曲面薄殼或厚殼，減縮積分，沙漏控制，有限膜應(yīng)變?？棊ず捅P簧殼為剛體，采用R3D4四結(jié)點(diǎn)三維雙線性剛性四邊形。支架和棘爪為均質(zhì)實(shí)體，采用C3D8R八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元,減縮積分,沙漏控制，卷軸采用C3D4四結(jié)點(diǎn)線性四面體單元。

除了棘爪和支架，其它部件均采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分。棘爪在有齒的地方由于受力比較大，需要細(xì)化網(wǎng)格。同樣在支架上有齒的兩邊圓形部分需要進(jìn)行分區(qū)單獨(dú)劃分網(wǎng)格。具體的網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 卷收器網(wǎng)格劃分示意

3 卷收器ABAQUS有限元結(jié)果分析

3.1 織帶勻速運(yùn)動(dòng)分析

通過ABAQUS計(jì)算分析，勻速運(yùn)動(dòng)下卷收器Step-1和Step-2下的應(yīng)力云圖見圖3。

(a)Step-1

從圖3中可以看出,勻速運(yùn)動(dòng)下盤簧受到織帶拉力最大，當(dāng)位移結(jié)束后，織帶出現(xiàn)彎曲說明織帶在自動(dòng)回卷。通過在結(jié)果選擇歷程輸出中選擇相應(yīng)的變量，從而得到織帶末端的位移、力和速度時(shí)程曲線，具體見圖4—圖6。

圖4 勻速下卷收器織帶位移時(shí)程曲線

圖5 勻速下卷收器織帶力時(shí)程曲線

從圖4和圖5中可以看到：織帶在0～0.2 s時(shí)被勻速拉出，當(dāng)拉出結(jié)束時(shí)織帶開始勻速卷回，當(dāng)t=0.266 s時(shí)卷回到初始位置后由于盤簧也回卷到位，織帶由于彈性力和慣性力開始變速繼續(xù)收回，最終織帶的位移為14.86 mm。

從圖6中看出：織帶在0～0.2 s時(shí)被勻速拉出，速度為-250 mm/s,到了t=0.2 s后由于盤簧的彎曲彈性變形產(chǎn)生的力，織帶開始高速回卷并且速度一直在突變，在t=0.266 s之前織帶一直保持高速，之后速度開始下降并且變化很快。結(jié)果說明當(dāng)織帶勻速拉出時(shí)，由于沒有加速度使棘爪產(chǎn)生慣性力，棘爪沒有伸出鎖定。

圖6 勻速下卷收器織帶速度時(shí)程曲線

3.2 織帶加速運(yùn)動(dòng)分析

在卷收器織帶有加速度拉出時(shí)，Step-1和Step-2下卷收器的應(yīng)力云圖見圖7。

(a)Step-1

(b)Step-2

從圖7中可以得出：加速運(yùn)動(dòng)下盤簧受到織帶拉力儲(chǔ)存彈性能，當(dāng)拉力結(jié)束后，織帶發(fā)生自動(dòng)回卷?？棊┒说奈灰坪退俣葧r(shí)程曲線如圖8和圖9所示。

圖8 加速下卷收器織帶位移時(shí)程曲線

圖9 加速下卷收器織帶速度時(shí)程曲線

從圖8可知：織帶在0～0.068 s時(shí)一直處于被拉出狀態(tài)，最大拉出位移為-41.81 mm，當(dāng)t=0.068 s后織帶沒有繼續(xù)拉出反而有收回，但是此時(shí)還有力作用于織帶末端，可以知道此時(shí)棘爪伸出并且鎖定了卷收器，使其不能繼續(xù)拉出，由于棘爪在高速情況下與支架上凸出的齒嚙合，產(chǎn)生了反向力導(dǎo)致織帶有收回，再因拉力作用棘爪又鎖止，才會(huì)出現(xiàn)t=0.068～0.1 s時(shí)位移曲線的小凸起。t=0.1 s后，由于拉力的撤銷，織帶被盤簧產(chǎn)生的力卷回。當(dāng)t=0.118 s時(shí)織帶卷回到初始位置，盤簧也回卷到位，織帶由于彈性力開始變速繼續(xù)收回，最終織帶的位移為26.70 mm。

從圖9可知：織帶在0～0.063 s被加速拉出,當(dāng)t=0.063 s時(shí)速度達(dá)到最大-1 591.89 mm/s，之后由于產(chǎn)生了反向加速度，速度開始減小直到速度變?yōu)?之前織帶都有被拉出。之后由于拉力作用又產(chǎn)生了拉力方向的加速度，才會(huì)出現(xiàn)t=0.063～0.1 s時(shí)速度會(huì)先減小后增大的現(xiàn)象，t=0.1 s后由于盤簧的彎曲彈性變形產(chǎn)生織帶的慣性彈性力，織帶開始高速回卷并且速度一直在突變。

從位移和速度時(shí)程曲線可以得出：①卷收器織帶勻速拉出時(shí)并不會(huì)鎖定；②卷收器回卷功能正常；③織帶在回卷過程中位移和速度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。

從織帶在加速拉出時(shí)的應(yīng)力云圖、位移和速度時(shí)程曲線中可以得出：①織帶在達(dá)到一定速度后會(huì)鎖定；②位移變化拐點(diǎn)比速度變化拐點(diǎn)后出現(xiàn)；③織帶在鎖定后位移和速度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。

4 利用卷收器原理的抗拉橡膠支座有限元分析

4.1 卷收器原理的實(shí)現(xiàn)

為了在ABAUQS中實(shí)現(xiàn)卷收器的鎖定和回卷原理，需要將多個(gè)連接單元并聯(lián)和串聯(lián)，具體卷收器模型如圖10所示。

圖10 卷收器模型

各個(gè)連接單元介紹如下：Preload HINGE(預(yù)加載鉸鏈)，由弱扭轉(zhuǎn)彈性彈簧提供的較小的預(yù)拉伸彈力，目的是消除皮帶的松弛；Spool lock (HINGE)(卷軸鎖定鉸鏈)，使用連接單元鎖定屬性來鎖定離開卷收器的皮帶，材料的速度超過某個(gè)值時(shí)卷軸幾乎不自由旋轉(zhuǎn)；Spool effects (HINGE)(線軸效應(yīng)鉸鏈)，體現(xiàn)的是卷收器的纏繞問題，并使用連接單元塑性定義來模擬線軸的壓縮效應(yīng)，通過張力與卷取材料曲線來實(shí)現(xiàn)；Flow converter (RETRACTOR)(流量轉(zhuǎn)換卷收器)，卷收器連接單元將鉸鏈連接單元中的指定運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑環(huán)連接單元排出的物質(zhì)流。

從圖10可以看出：卷收器抗拉裝置是將幾個(gè)鉸鏈連接單元和卷收器連接單元并聯(lián)和串聯(lián)而建模組成的。卷收器連接單元在節(jié)點(diǎn)8300228處連接到第一個(gè)滑環(huán)連接單元。幾個(gè)鉸鏈連接單元模擬了卷收器裝置中的各種機(jī)構(gòu)。

4.2 卷收器參數(shù)的設(shè)置

本模型的建立是在LNR500(Linear natural rubber bearing,天然橡膠支座)有限元模型的基礎(chǔ)上，加上2塊法蘭板，在橡膠支座的4個(gè)角增加利用卷收器原理的抗拉裝置模擬單元——隨動(dòng)式抗拉裝置。隨動(dòng)式抗拉橡膠支座有限元模型如圖11所示。

圖11 隨動(dòng)式抗拉橡膠支座有限元模型

通過上節(jié)的卷收器模型進(jìn)行連接單元的設(shè)置，在點(diǎn)10111、10011、8300228和支座頂板角部分區(qū)域創(chuàng)建參考點(diǎn)，其中10111點(diǎn)設(shè)在底板角部，支線上去分別對(duì)應(yīng)點(diǎn)10011、8300228和頂板角部。然后在10111和8300228參考點(diǎn)并聯(lián)設(shè)置Preload (HINGE)(預(yù)加載鉸鏈)和Flow converter (RETRACTOR)(流量轉(zhuǎn)換卷收器)。在10111、10011和8300228參考點(diǎn)串聯(lián)設(shè)置Spool lock (HINGE)(卷軸鎖定鉸鏈)和Spool effects (HINGE)(線軸效應(yīng)鉸鏈)。最終在8300228和頂板參考點(diǎn)間設(shè)置Belt SLIP RING(皮帶滑環(huán))模擬皮帶連接。其中HINGE(鉸鏈)和RETRACTOR(卷收器)連接單元需要設(shè)置獨(dú)立的坐標(biāo)系，使其符合實(shí)際情況下的運(yùn)動(dòng)。用同樣的方法分別在4個(gè)角建立抗拉裝置模擬單元。卷收器連接單元部件設(shè)置見表3。

表3 連接單元部件設(shè)置

4.3 有限元模擬結(jié)果

(1)對(duì)LNR500橡膠支座和隨動(dòng)式抗拉橡膠支座進(jìn)行壓剪模擬。主要模擬LNR500橡膠支座和隨動(dòng)式抗拉橡膠支座的400%極限剪切變形狀態(tài)。首先是在橡膠支座上部施加12 MPa壓強(qiáng)，在此壓強(qiáng)基礎(chǔ)上再給支座上部添加377 mm橫向位移，從而得到了有限元分析下的水平荷載-位移曲線，如圖12所示。

圖12 壓剪作用下的荷載-位移曲線

從圖12中可以看出兩種支座極限剪切變形下，支座勻速運(yùn)動(dòng)卷收器不鎖定，水平剪力和水平位移曲線基本吻合，得出結(jié)論：卷收器在未鎖定時(shí)基本不影響橡膠支座的水平剛度和變形。

(2)為了模擬橡膠支座地震作用下的實(shí)際動(dòng)力特性，通過設(shè)置卷收器合適的鎖定加速度，得到兩支座之間的水平位移和軸力對(duì)比圖，如圖13和圖14所示。

圖13 兩種橡膠支座的水平位移對(duì)比曲線

圖 14 兩種橡膠支座的軸力對(duì)比曲線

從圖13可以看出兩種橡膠支座水平位移基本保持一致。由于卷收器單元設(shè)置了鎖定加速度，位移最大的時(shí)候加速度最大，卷收器鎖定，導(dǎo)致隨動(dòng)式抗拉橡膠支座位移最大時(shí)水平位移因鎖定而減小。

從圖14軸力對(duì)比中看出：對(duì)比LNR500橡膠支座，隨動(dòng)式抗拉橡膠支座的拉力明顯減小，從95 kN減小到了5 kN，但是其壓力有所增加，證明上文中的抗拉裝置的模擬合理。而加速度最大的時(shí)候支座軸力最大，從而可以通過橡膠支座的加速度確定抗拉裝置的鎖定加速度、鎖定速度。

5 結(jié)論

借鑒汽車機(jī)械中卷收器緊急鎖止功能和拉出、回卷功能，提出一種隨動(dòng)式抗拉橡膠支座的設(shè)計(jì)。通過對(duì)比LNR500橡膠支座和隨動(dòng)式抗拉橡膠支座的ABAQUS有限元結(jié)果，驗(yàn)證了隨動(dòng)式抗拉橡膠支座的抗拉性能。結(jié)論如下：

1)隨動(dòng)式抗拉橡膠支座不會(huì)影響支座的水平變形能力。

2)隨動(dòng)式抗拉橡膠支座能夠有效的抵抗支座拉力，起到抗拉作用。