基于接触单元的球型钢支座有限元仿真分析 基于接触单元的球型钢支座有限元仿真分析
周衍领
(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600)
摘 要：球形钢支座结构简单，其结构中超高分子量聚乙烯材质的球面滑板镶嵌在钢质的下支座板凹槽中，两种构件之间是接触连接的状态，由于这种接触连接的存在，一般简化计算方法已不能真实反映其受力状态。采用有限元仿真分析软件MSC.NASTRAN中IMPLICIT NONLINEAR隐式非线性分析模块，利用接触单元，对这种接触连接结构进行了有限元仿真分析，并对计算结果进行分析后得出这种接触连接结构的应力分布规律，为球形钢支座的设计、选材、加工制造和现场应用提供参考。
关键词：球形钢支座；超高分子量聚乙烯；接触单元；有限元仿真
作者简介：周衍领(1976—)，男，高级工程师，主要从事结构工程、有限元仿真工程方面的研究工作 [email protected]
DOI：10.13219/j.gjgyat.2015.03.010
中图分类号：U443.362
文献标识码：A
文章编号：1672-3953(2015)03-0032-04
Abstract: Spherical steel bearings are simple in structure. In its structure the spherical sliding plate made of the ultra high molecular weight polyethylene material is embedded in the groove of the lower support plate made of steel material.The two members are in a contacted-connection state.With the existence of this contacted connection state, the common simplified calculation method can hardly reflect the true state of stress accurately.Therefore, the IMPLICIT NONLINEAR module of the finite element simulation software MSC_NASTRAN and the contact unit are used for simulating-analysing the contact structure,upon the basis of which the calculated results are analyzed and the law of the distribution of stress of the contacted-connection structure is obtained. The distribution law may serve as a useful reference for the design of, the choice of the right materials for,the processing and manufacture of and the site-application of the steel spherical bearings.
球型钢支座是在盆式橡胶支座的基础上发展起来的一种桥梁支座。早在20世纪70年代国外就研制出球型钢支座，1988年我国也开始研制球型钢支座，并开始用于工程实践，于2000年完成国标的制订工作 [1-2]。球型钢支座在设计转角和承载能力方面适应范围都远比盆式橡胶支座大。所以，进入20世纪90年代，球型钢支座在我国大跨径桥梁工程上得到了较为广泛的使用，并在2008年完成了国标的修订工作。目前，国内高速铁路简支梁桥使用的支座大多为盆式橡胶支座。由于球型钢支座传力可靠、转动灵活，它不仅承载能力大，而且能更好地适应支座大转角的需要，与盆式橡胶支座相比，球型钢支座优点突出。因此，球型钢支座在我国的高速铁路中得到大量推广和应用 [3-8]。由于球型支座承载力大，受力复杂，特别是各构件之间利用超高分子量聚乙烯耐磨板材料提供滑动功能，聚乙烯耐磨板和下支座板以及球冠衬板之间是一种接触连接状态，这种连接状态的存在，更增加了下支座板和球面滑板结合体受力强度分析难度，一般简化计算方法已不能真实反映其受力状态。本文采用有限元仿真 [9-12]分析软件MSC.NASTRAN中IMPLICIT NONLINEAR隐式非线性分析模块，利用接触单元，重点对下支座板和嵌入下支座凹槽中的超高分子聚乙烯耐磨球面滑板结合体进行有限元建模仿真计算，给出两构件应力分布规律，为支座设计、加工制造和使用提供理论力学分析依据。
1 球型钢支座类型与构造
1.1 球型钢支座分类
铁路简支箱梁一般采用四种类型的支座：固定支座、横向活动支座、纵向活动支座和多向活动支座。
1.2 球型钢支座结构(以固定支座为例)
固定支座可以在竖向转动，但不能水平滑动，由下支座板(凹形底盆)、球冠衬板、上支座板、平面滑板、球面滑板、密封圈及密封裙等部件组成，构造如图1所示。
图1 固定支座构造示意图
2 支座受力分析
2.1 支座传力路线
上支座板通过梁底预埋钢板支承箱梁，用4个锚栓固定。下支座板支承在垫石上，用4个锚栓固定，如图2所示。
图2 固定支座安装示意图
竖向载荷传递路线：预埋钢板→上支座板→平面滑板→球冠衬板→球面滑板→下支座板→支承垫石。
水平力传递路线：预埋钢板→4个锚栓→水平限位挡环或挡块→侧向滑板(仅指活动支座)→下支座板→支承垫石+4个锚栓。
2.2 支座各构件受力分析
2.2.1 上支座板
载荷：在平面滑板直径范围内承受竖向载荷，在4个螺栓处承受水平载荷。
反力：竖向反力、水平限位挡环或挡块承受水平反力及其产生的竖向摩阻力。如图3所示。
图3 固定支座上支座板受力示意图
2.2.2 球面滑板
载荷：在平面滑板顶面承受竖向载荷及水平载荷。
反力：在平面滑板背面承受竖向反力及水平摩阻力。
2.2.3 平面滑板
载荷：在凹球面处承受径向载荷及球面滑动切向载荷。
反力：在凸球面处承受径向反力及球面滑动切向阻力。
2.2.4 下支座板
载荷：在凹球面处承受径向载荷及球面滑动切向载荷，在与上支座板接触处承受水平载荷及其产生的竖向载荷。
反力：底面处承受支承垫石的竖向反力及水平反力，4个锚栓处承受水平反力。如图4所示。
图4 固定支座下支座板受力示意图
3 支座材料
3.1 钢件
上、下支座板采用ZG270-500或Q345，球冠衬板选用Q345或采用ZG270-500，其力学指标如表1所示。
3.2 球面滑板
球面滑板材料采用改性超高分子量聚乙烯，其性能符合《客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件补充规定》(铁科技[2007]95号)，许用压应力：[σ] =45 MPa。
表1 钢件力学指标 MPa
材料容许弯曲应力[σ]容许剪应力[τ]弹性模量EZG270-[1**********]×106Q[1**********]0×106
4 设计荷载
设计载荷包括竖向设计载荷及其对应的水平力。本文以竖向设计荷载为5 000 kN为例对建立的有限元模型施加竖向均布面荷载，不考虑水平力。
5 有限元模型的建立
5.1 有限元模型的建立
为了对支座球型滑板和下支座板的力学性能进行分析，利用大型有限元仿真前处理软件MSC.PATRAN，通过对3D实体模型布尔运算，分别建立球冠衬板、球面滑板和下支座板3D实体几何模型，对球冠衬板和下支座板几何模型采用Tet单元进行网格划分，对球面滑板采用Wedge单元进行网关划分，同时保证球面滑板和下支座板有限元网格的匹配，得到支座构件有限元仿真模型如图5所示。
5.2 边界条件
由于下支座板与墩台或垫石采用锚栓链接，故在下支座板4个螺栓孔位置采用的边界条件为T x=T y=T z=0，R x=R y=R z=0，底面T z=0。球冠衬板顶面施加5 000 kN面荷载。
5.3 建立接触对
在定义接触对过程中，分别定义刚性接触体(Rigid Body)、可变形接触体(Deformable Body)和接触面(contact surface)。刚性接触体是在接触过程中所产生的变形可以忽略的物体，由描述刚性接触体轮廓的几何实体组成，刚性接触体的定义并不需要包括整个刚体的外轮廓，只需定义可能与其他物体产生接触的局部边界，但应注意必须定义足够长的边界，防止与刚性接触体产生接触的变形体节点在运动中滑出刚性接触体边界。可变形接触体是对接触过程中产生的变形加以考虑的接触体，它是一组常规有限单元的集合，位于可变形体外表面的单元节点，如果在变形过程中可能与其它物体或自身产生接触，这些节点就被处理成可能的接触点，位于可变形体外表面的所有节点都可能被指定为可能的接触点 [13-14]。选择计算过程中所有可能相接触的面单元和节点，定义材料属性，给定位移，给定速度，给定荷载，接触探测，施加接触约束及修改接触约束，模拟摩擦，建立接触对。
6 接触计算
提交MSC_NASTRAN进行接触计算前，对计算类型进行相关的设置，选择IMPLICIT NONLINEAR计算模块，设置好Time Step Scale Factor,选择Result Types为Strain Total Components(301),Stress,Components(311),提交运算。计算结果提取如图6～图7所示。
图5 四分之一装配图
图6 球面滑板接触应力云纹图 (单位：MPa)
图7 下支座板接触应力云纹图 (单位：MPa)
滑板最大接触应力40.4 MPa
7 结论
通过以上对球面滑板和下支座板应力计算结果的分析可知，球面滑板和下支座板受竖向荷载作用后，应力最大值分布情况并不是所猜测的在下支座板凹槽中心点或球面滑板中心点附近，应力最大值反而分布在靠近球面滑板边缘和下支座板凹槽边缘位置处，这种现象跟超高分子量聚乙烯材料在受到约束受压后产生复杂变形有关，相关应力分布的规律，在支座的测试实验中也得到了类似的验证。通过计算所得的球面滑板和下支座板组合体受竖向荷载作用的应力分布规律，为支座设计、选材、加工制造和现场应用提供理论参考。
参考文献
[1]国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 17955—2009 桥梁球型支座[S].北京：中国标准出版社，2009
[2]中华人民共和国铁道部.TB/T 1853-2006 铁路桥梁钢支座[S].北京：中国铁道出版社，2006
[3]王言明，马 军.球型钢支座受力性能的理论分析[J]. 工业建筑，2007(S1)：1553-1565
[4]马蓓蓓，罗瑞敏.浅析水平荷载与竖向荷载的比值对桥梁支座稳定性的影响[J].黑龙江交通科技，2005，140(10)：54-55
[5]杜红艳.桥梁支座受力计算注意事项[J].世界交通，2011(21)：238-239
[6]符致森，潘德雄. 浅谈桥梁支座的结构类型[J].山西建筑，2007，33(32)：328-330
[7]严振林.球型支座的结构设计与检算[J].国防交通工程与技术，2013，11(2)：31-34
[8]李军歌.对桥梁支座简化模型的一点思考[J].四川建筑，2005，25(2)：51-53
[9]陈云信，钱 勤.基于参数化有限元分析的桥梁支座刚度矩阵的求解[J].现代机械，2006(5)：39-40
[10]李 乔.桥梁支座的有限元模型[J].工程力学，2000(S1)：657-660
[11]刘岳兵.铁路桥梁支座数值仿真研究[D].成都：西南交通大学，2010
[12]陈阶亮，谢晓波，谭永朝，等.大吨位抗震球型支座的有限元分析[J].2005,22(8):98-101
[13]刘兵山，黄 聪.Patran从入门到精通[M].北京：中国水利水电出版社，2003
[14]刘兵山，陈火红.Marc有限元实例分析教程[M].北京：机械工业出版社，2002
A Finite Element Simulation Analysis
of the Contact-Unit-Based Steel Spherical Bearings
ZhouYanling
(The Fifth Survey and Design Institution Group Co. Ltd. of China Railway,Beijing102600,China)
Key words: steel spherical bearings；ultra-high molecular weight polyethylene；contact unit；finite element simulation
基于接触单元的球型钢支座有限元仿真分析 基于接触单元的球型钢支座有限元仿真分析
周衍领
(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600)
摘 要：球形钢支座结构简单，其结构中超高分子量聚乙烯材质的球面滑板镶嵌在钢质的下支座板凹槽中，两种构件之间是接触连接的状态，由于这种接触连接的存在，一般简化计算方法已不能真实反映其受力状态。采用有限元仿真分析软件MSC.NASTRAN中IMPLICIT NONLINEAR隐式非线性分析模块，利用接触单元，对这种接触连接结构进行了有限元仿真分析，并对计算结果进行分析后得出这种接触连接结构的应力分布规律，为球形钢支座的设计、选材、加工制造和现场应用提供参考。
关键词：球形钢支座；超高分子量聚乙烯；接触单元；有限元仿真
作者简介：周衍领(1976—)，男，高级工程师，主要从事结构工程、有限元仿真工程方面的研究工作 [email protected]
DOI：10.13219/j.gjgyat.2015.03.010
中图分类号：U443.362
文献标识码：A
文章编号：1672-3953(2015)03-0032-04
Abstract: Spherical steel bearings are simple in structure. In its structure the spherical sliding plate made of the ultra high molecular weight polyethylene material is embedded in the groove of the lower support plate made of steel material.The two members are in a contacted-connection state.With the existence of this contacted connection state, the common simplified calculation method can hardly reflect the true state of stress accurately.Therefore, the IMPLICIT NONLINEAR module of the finite element simulation software MSC_NASTRAN and the contact unit are used for simulating-analysing the contact structure,upon the basis of which the calculated results are analyzed and the law of the distribution of stress of the contacted-connection structure is obtained. The distribution law may serve as a useful reference for the design of, the choice of the right materials for,the processing and manufacture of and the site-application of the steel spherical bearings.
球型钢支座是在盆式橡胶支座的基础上发展起来的一种桥梁支座。早在20世纪70年代国外就研制出球型钢支座，1988年我国也开始研制球型钢支座，并开始用于工程实践，于2000年完成国标的制订工作 [1-2]。球型钢支座在设计转角和承载能力方面适应范围都远比盆式橡胶支座大。所以，进入20世纪90年代，球型钢支座在我国大跨径桥梁工程上得到了较为广泛的使用，并在2008年完成了国标的修订工作。目前，国内高速铁路简支梁桥使用的支座大多为盆式橡胶支座。由于球型钢支座传力可靠、转动灵活，它不仅承载能力大，而且能更好地适应支座大转角的需要，与盆式橡胶支座相比，球型钢支座优点突出。因此，球型钢支座在我国的高速铁路中得到大量推广和应用 [3-8]。由于球型支座承载力大，受力复杂，特别是各构件之间利用超高分子量聚乙烯耐磨板材料提供滑动功能，聚乙烯耐磨板和下支座板以及球冠衬板之间是一种接触连接状态，这种连接状态的存在，更增加了下支座板和球面滑板结合体受力强度分析难度，一般简化计算方法已不能真实反映其受力状态。本文采用有限元仿真 [9-12]分析软件MSC.NASTRAN中IMPLICIT NONLINEAR隐式非线性分析模块，利用接触单元，重点对下支座板和嵌入下支座凹槽中的超高分子聚乙烯耐磨球面滑板结合体进行有限元建模仿真计算，给出两构件应力分布规律，为支座设计、加工制造和使用提供理论力学分析依据。
1 球型钢支座类型与构造
1.1 球型钢支座分类
铁路简支箱梁一般采用四种类型的支座：固定支座、横向活动支座、纵向活动支座和多向活动支座。
1.2 球型钢支座结构(以固定支座为例)
固定支座可以在竖向转动，但不能水平滑动，由下支座板(凹形底盆)、球冠衬板、上支座板、平面滑板、球面滑板、密封圈及密封裙等部件组成，构造如图1所示。
图1 固定支座构造示意图
2 支座受力分析
2.1 支座传力路线
上支座板通过梁底预埋钢板支承箱梁，用4个锚栓固定。下支座板支承在垫石上，用4个锚栓固定，如图2所示。
图2 固定支座安装示意图
竖向载荷传递路线：预埋钢板→上支座板→平面滑板→球冠衬板→球面滑板→下支座板→支承垫石。
水平力传递路线：预埋钢板→4个锚栓→水平限位挡环或挡块→侧向滑板(仅指活动支座)→下支座板→支承垫石+4个锚栓。
2.2 支座各构件受力分析
2.2.1 上支座板
载荷：在平面滑板直径范围内承受竖向载荷，在4个螺栓处承受水平载荷。
反力：竖向反力、水平限位挡环或挡块承受水平反力及其产生的竖向摩阻力。如图3所示。
图3 固定支座上支座板受力示意图
2.2.2 球面滑板
载荷：在平面滑板顶面承受竖向载荷及水平载荷。
反力：在平面滑板背面承受竖向反力及水平摩阻力。
2.2.3 平面滑板
载荷：在凹球面处承受径向载荷及球面滑动切向载荷。
反力：在凸球面处承受径向反力及球面滑动切向阻力。
2.2.4 下支座板
载荷：在凹球面处承受径向载荷及球面滑动切向载荷，在与上支座板接触处承受水平载荷及其产生的竖向载荷。
反力：底面处承受支承垫石的竖向反力及水平反力，4个锚栓处承受水平反力。如图4所示。
图4 固定支座下支座板受力示意图
3 支座材料
3.1 钢件
上、下支座板采用ZG270-500或Q345，球冠衬板选用Q345或采用ZG270-500，其力学指标如表1所示。
3.2 球面滑板
球面滑板材料采用改性超高分子量聚乙烯，其性能符合《客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件补充规定》(铁科技[2007]95号)，许用压应力：[σ] =45 MPa。
表1 钢件力学指标 MPa
材料容许弯曲应力[σ]容许剪应力[τ]弹性模量EZG270-[1**********]×106Q[1**********]0×106
4 设计荷载
设计载荷包括竖向设计载荷及其对应的水平力。本文以竖向设计荷载为5 000 kN为例对建立的有限元模型施加竖向均布面荷载，不考虑水平力。
5 有限元模型的建立
5.1 有限元模型的建立
为了对支座球型滑板和下支座板的力学性能进行分析，利用大型有限元仿真前处理软件MSC.PATRAN，通过对3D实体模型布尔运算，分别建立球冠衬板、球面滑板和下支座板3D实体几何模型，对球冠衬板和下支座板几何模型采用Tet单元进行网格划分，对球面滑板采用Wedge单元进行网关划分，同时保证球面滑板和下支座板有限元网格的匹配，得到支座构件有限元仿真模型如图5所示。
5.2 边界条件
由于下支座板与墩台或垫石采用锚栓链接，故在下支座板4个螺栓孔位置采用的边界条件为T x=T y=T z=0，R x=R y=R z=0，底面T z=0。球冠衬板顶面施加5 000 kN面荷载。
5.3 建立接触对
在定义接触对过程中，分别定义刚性接触体(Rigid Body)、可变形接触体(Deformable Body)和接触面(contact surface)。刚性接触体是在接触过程中所产生的变形可以忽略的物体，由描述刚性接触体轮廓的几何实体组成，刚性接触体的定义并不需要包括整个刚体的外轮廓，只需定义可能与其他物体产生接触的局部边界，但应注意必须定义足够长的边界，防止与刚性接触体产生接触的变形体节点在运动中滑出刚性接触体边界。可变形接触体是对接触过程中产生的变形加以考虑的接触体，它是一组常规有限单元的集合，位于可变形体外表面的单元节点，如果在变形过程中可能与其它物体或自身产生接触，这些节点就被处理成可能的接触点，位于可变形体外表面的所有节点都可能被指定为可能的接触点 [13-14]。选择计算过程中所有可能相接触的面单元和节点，定义材料属性，给定位移，给定速度，给定荷载，接触探测，施加接触约束及修改接触约束，模拟摩擦，建立接触对。
6 接触计算
提交MSC_NASTRAN进行接触计算前，对计算类型进行相关的设置，选择IMPLICIT NONLINEAR计算模块，设置好Time Step Scale Factor,选择Result Types为Strain Total Components(301),Stress,Components(311),提交运算。计算结果提取如图6～图7所示。
图5 四分之一装配图
图6 球面滑板接触应力云纹图 (单位：MPa)
图7 下支座板接触应力云纹图 (单位：MPa)
滑板最大接触应力40.4 MPa
7 结论
通过以上对球面滑板和下支座板应力计算结果的分析可知，球面滑板和下支座板受竖向荷载作用后，应力最大值分布情况并不是所猜测的在下支座板凹槽中心点或球面滑板中心点附近，应力最大值反而分布在靠近球面滑板边缘和下支座板凹槽边缘位置处，这种现象跟超高分子量聚乙烯材料在受到约束受压后产生复杂变形有关，相关应力分布的规律，在支座的测试实验中也得到了类似的验证。通过计算所得的球面滑板和下支座板组合体受竖向荷载作用的应力分布规律，为支座设计、选材、加工制造和现场应用提供理论参考。
参考文献
[1]国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 17955—2009 桥梁球型支座[S].北京：中国标准出版社，2009
[2]中华人民共和国铁道部.TB/T 1853-2006 铁路桥梁钢支座[S].北京：中国铁道出版社，2006
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[10]李 乔.桥梁支座的有限元模型[J].工程力学，2000(S1)：657-660
[11]刘岳兵.铁路桥梁支座数值仿真研究[D].成都：西南交通大学，2010
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of the Contact-Unit-Based Steel Spherical Bearings
ZhouYanling
(The Fifth Survey and Design Institution Group Co. Ltd. of China Railway,Beijing102600,China)
Key words: steel spherical bearings；ultra-high molecular weight polyethylene；contact unit；finite element simulation