随动式抗拉橡胶支座的有限元模拟研究

2021-11-19陈雪雪潘文周兴孙玥

工业安全与环保 2021年11期

陈雪雪潘文周兴孙玥

(1.昆明理工大学建筑工程学院昆明 650500； 2.云南省抗震工程技术研究中心昆明 650500；3.云南民族大学电气信息工程学院昆明 650000)

0 引言

现在国内隔震建筑越来越多，橡胶隔震支座具有水平刚度低、竖向抗压刚度及受压承载力高等特性[1-2]，但在大高宽比高层建筑中或强震作用下的建筑可能出现隔震支座受拉现象[3]，从而引起结构倾覆或橡胶支座性能退化等影响结构安全的问题。现有提高支座抗拉能力的办法是设置抗拉限位装置，一种抗拉限位装置是独立的位于隔震层中，不影响隔震支座，但这种限位装置的刚度和连接间歇值难以确定；另一种是抗拉限位装置和隔震支座共同组成一个支座，但此时隔震支座的水平和竖向刚度将会受到影响，减震效果有所降低[4]。

鉴于此，设计提出一种安全有效的新型抗拉橡胶支座——随动式抗拉橡胶支座，设计理念是借鉴汽车机械中安全带卷收器的紧急锁止功能和拉出回卷功能，在天然橡胶支座上下各增加一块法兰板，并在四个角分别模拟出抗拉装置，利用ABAQUS有限元软件对其进行研究，以验证其变形情况和抗拉性能。

1 卷收器的基本原理

1.1 卷收器的结构组成

卷收器是汽车安全带的关键装置，起到保护驾驶员的关键作用[5]。紧急锁止式卷收器结构组成见图1。

1.卷簧盖；2.卷簧；3.卷簧压盖；4.扭力杆；5.限位销；6.旋转轴心；7.支架；8.动轴；9.棘爪；10.外齿圆盘；11.带感组件；12.车感组件；13.锁止盖

1.2 卷收器用作抗拉装置

卷收器只有在一定加速度下才会由于惯性力锁定，一般情况下可以跟随织带随意运动，未锁定前不会有很大的刚度。其具有的自动织带卷收功能[6]，让隔震支座在没有拉力产生时正常发挥隔震作用，不影响支座刚度，而在支座有一定拉力产生时可以发挥其抗拉作用并能很好的复位，这就能很好的解决一般抗拉限位装置刚度过大或间隙值难以控制的问题；另外，通过调整卷收器的几何尺寸参数、惯性块的质量、惯性弹簧的刚度、织带的刚度从而调整抗拉装置锁止的加速度、锁止的力和锁止的位移，使其在橡胶支座产生拉力的时候可抵抗拉力。

2 卷收器ABAQUS有限元模型的建立

2.1 几何模型

由于卷收器模型较复杂，用其做抗拉装置只需拥有其锁定和自复位功能[7]，所以在建模时对其进行了结构简化。简化的卷收器在ABAQUS[8]中分别由织带、织带壳、支架、卷轴、棘爪、盘簧和盘簧盖组成，能够实现卷收器功能。其中织带壳体的厚度设置为0.81 mm，盘簧壳体厚度为1.2 mm。

2.2 材料属性

(1)钢材

钢材采用两种材料，一种是机械中常用的Q500钢材，用于构件上的棘爪、支架、卷轴材料设定，另一种是用于盘簧的弹簧钢材，它能够提供较大的恢复力，具体参数见表1。

表1 钢材对应的参数值

(2)织带

织带采用的弾性模型为单层板，能很好的模拟织带的力学性能，具体参数值见表2，其中织带的密度设置为1 g/cm3。

表2 织带单层板模型参数表

2.3 网格划分

网格划分前需要先为部件选择相应单元进行网格划分，其中织带和盘簧为壳体，选择的单元为S4R 四结点曲面薄壳或厚壳，减缩积分，沙漏控制，有限膜应变。织带壳和盘簧壳为刚体，采用R3D4四结点三维双线性刚性四边形。支架和棘爪为均质实体，采用C3D8R八结点线性六面体单元,减缩积分,沙漏控制，卷轴采用C3D4四结点线性四面体单元。

除了棘爪和支架，其它部件均采用自动网格划分。棘爪在有齿的地方由于受力比较大，需要细化网格。同样在支架上有齿的两边圆形部分需要进行分区单独划分网格。具体的网格划分见图2。

图2 卷收器网格划分示意

3 卷收器ABAQUS有限元结果分析

3.1 织带匀速运动分析

通过ABAQUS计算分析，匀速运动下卷收器Step-1和Step-2下的应力云图见图3。

(a)Step-1

从图3中可以看出,匀速运动下盘簧受到织带拉力最大，当位移结束后，织带出现弯曲说明织带在自动回卷。通过在结果选择历程输出中选择相应的变量，从而得到织带末端的位移、力和速度时程曲线，具体见图4—图6。

图4 匀速下卷收器织带位移时程曲线

图5 匀速下卷收器织带力时程曲线

从图4和图5中可以看到：织带在0～0.2 s时被匀速拉出，当拉出结束时织带开始匀速卷回，当t=0.266 s时卷回到初始位置后由于盘簧也回卷到位，织带由于弹性力和惯性力开始变速继续收回，最终织带的位移为14.86 mm。

从图6中看出：织带在0～0.2 s时被匀速拉出，速度为-250 mm/s,到了t=0.2 s后由于盘簧的弯曲弹性变形产生的力，织带开始高速回卷并且速度一直在突变，在t=0.266 s之前织带一直保持高速，之后速度开始下降并且变化很快。结果说明当织带匀速拉出时，由于没有加速度使棘爪产生惯性力，棘爪没有伸出锁定。

图6 匀速下卷收器织带速度时程曲线

3.2 织带加速运动分析

在卷收器织带有加速度拉出时，Step-1和Step-2下卷收器的应力云图见图7。

(a)Step-1

(b)Step-2

从图7中可以得出：加速运动下盘簧受到织带拉力储存弹性能，当拉力结束后，织带发生自动回卷。织带末端的位移和速度时程曲线如图8和图9所示。

图8 加速下卷收器织带位移时程曲线

图9 加速下卷收器织带速度时程曲线

从图8可知：织带在0～0.068 s时一直处于被拉出状态，最大拉出位移为-41.81 mm，当t=0.068 s后织带没有继续拉出反而有收回，但是此时还有力作用于织带末端，可以知道此时棘爪伸出并且锁定了卷收器，使其不能继续拉出，由于棘爪在高速情况下与支架上凸出的齿啮合，产生了反向力导致织带有收回，再因拉力作用棘爪又锁止，才会出现t=0.068～0.1 s时位移曲线的小凸起。t=0.1 s后，由于拉力的撤销，织带被盘簧产生的力卷回。当t=0.118 s时织带卷回到初始位置，盘簧也回卷到位，织带由于弹性力开始变速继续收回，最终织带的位移为26.70 mm。

从图9可知：织带在0～0.063 s被加速拉出,当t=0.063 s时速度达到最大-1 591.89 mm/s，之后由于产生了反向加速度，速度开始减小直到速度变为0之前织带都有被拉出。之后由于拉力作用又产生了拉力方向的加速度，才会出现t=0.063～0.1 s时速度会先减小后增大的现象，t=0.1 s后由于盘簧的弯曲弹性变形产生织带的惯性弹性力，织带开始高速回卷并且速度一直在突变。

从位移和速度时程曲线可以得出：①卷收器织带匀速拉出时并不会锁定；②卷收器回卷功能正常；③织带在回卷过程中位移和速度会出现波动。

从织带在加速拉出时的应力云图、位移和速度时程曲线中可以得出：①织带在达到一定速度后会锁定；②位移变化拐点比速度变化拐点后出现；③织带在锁定后位移和速度会出现波动。

4 利用卷收器原理的抗拉橡胶支座有限元分析

4.1 卷收器原理的实现

为了在ABAUQS中实现卷收器的锁定和回卷原理，需要将多个连接单元并联和串联，具体卷收器模型如图10所示。

图10 卷收器模型

各个连接单元介绍如下：Preload HINGE(预加载铰链)，由弱扭转弹性弹簧提供的较小的预拉伸弹力，目的是消除皮带的松弛；Spool lock (HINGE)(卷轴锁定铰链)，使用连接单元锁定属性来锁定离开卷收器的皮带，材料的速度超过某个值时卷轴几乎不自由旋转；Spool effects (HINGE)(线轴效应铰链)，体现的是卷收器的缠绕问题，并使用连接单元塑性定义来模拟线轴的压缩效应，通过张力与卷取材料曲线来实现；Flow converter (RETRACTOR)(流量转换卷收器)，卷收器连接单元将铰链连接单元中的指定运动转换为滑环连接单元排出的物质流。

从图10可以看出：卷收器抗拉装置是将几个铰链连接单元和卷收器连接单元并联和串联而建模组成的。卷收器连接单元在节点8300228处连接到第一个滑环连接单元。几个铰链连接单元模拟了卷收器装置中的各种机构。

4.2 卷收器参数的设置

本模型的建立是在LNR500(Linear natural rubber bearing,天然橡胶支座)有限元模型的基础上，加上2块法兰板，在橡胶支座的4个角增加利用卷收器原理的抗拉装置模拟单元——随动式抗拉装置。随动式抗拉橡胶支座有限元模型如图11所示。

图11 随动式抗拉橡胶支座有限元模型

通过上节的卷收器模型进行连接单元的设置，在点10111、10011、8300228和支座顶板角部分区域创建参考点，其中10111点设在底板角部，支线上去分别对应点10011、8300228和顶板角部。然后在10111和8300228参考点并联设置Preload (HINGE)(预加载铰链)和Flow converter (RETRACTOR)(流量转换卷收器)。在10111、10011和8300228参考点串联设置Spool lock (HINGE)(卷轴锁定铰链)和Spool effects (HINGE)(线轴效应铰链)。最终在8300228和顶板参考点间设置Belt SLIP RING(皮带滑环)模拟皮带连接。其中HINGE(铰链)和RETRACTOR(卷收器)连接单元需要设置独立的坐标系，使其符合实际情况下的运动。用同样的方法分别在4个角建立抗拉装置模拟单元。卷收器连接单元部件设置见表3。