CN107829494A - 一种新型螺栓球节点及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型螺栓球节点及其制备方法，属于螺栓球节点设计的技术领域。新型螺栓球节点包括内部为空腔结构的钢球和设置在所述钢球上、用于连接和承载钢杆的分管，钢球与分管一体成型，钢球为部分被切除的球冠状，且球冠的高大于钢球的半径，分管沿钢球的法线方向向外设置，且分管沿钢球的周向均匀分布，分管为实心结构，分管上具有沿着法线方向设置的沉孔，钢球表面上设置有使相邻分管间平滑连贯过渡的曲面倒圆角，钢球表面具有以分管数量、分管位置、分管直径、沉孔直径为参数的经拓扑优化计算得出的与所承载钢杆受力相匹配的曲面形状。对螺栓球进行拓扑优化分析，使螺栓球节点在满足承载性能的基础上极大的减小了自重，提高了使用性能。

Description

一种新型螺栓球节点及其制备方法

技术领域

本发明属于螺栓球节点设计的技术领域，具体涉及一种新型螺栓球节点及其制备方法。

背景技术

目前，网架结构以其受力合理、用料经济、造型美观，能覆盖较大空间等优点而成为符合当今大跨空间结构追求更大跨度，更加优美的外形的发展趋势，在建筑工程中应用广泛。节点作为网架结构的关键组成部分,占整个结构用钢量的20％～50％。因此合理的节点构造，对结构的安全度、制造安装、工程进度、用钢指标以及工程造价都有直接影响。

网架结构节点主要有焊接球节点和螺栓球节点。其中螺栓球节点一般在工厂定型成批生成，现场拼装无需焊接，装拆方便适用于现场工期紧、施工条件、用电量受制约，网架形状复杂、杆件定位困难的异形结构。螺栓球节点是由螺栓、钢球、销子(或螺钉)、套筒和锥头或封板等零件组成，其中钢球是实心的。由于实心钢球的重量大，因此直径超过300mm时目前工程实践中都采用了焊接球或者铸钢节点，这二者的一个突出缺陷是现场焊接工作量大，施工速度慢，质量难以保证，尤其是随着建筑技术的发展，装配式建筑已经成为发展的趋势，要求施工现场尽量采用螺栓球节点。但由于结构向更高、跨度更大方向的发展，原有的小直径螺栓球已不能满足工程实践的需求，例如《钢网架螺栓球节点JG/T10—2009》中螺栓球的规格中最大直径仅为300mm，而当前工程实践中通常需要根据杆件的角度，以及节点承受和传递较大的荷载要求，对螺栓球进行设计，需要的螺栓球很大。

因此，建立大直径螺栓球的生产技术是十分必要的，也是工程实践急需的。实现大直径螺栓球的关键技术有两点，一是实心球会导致节点单重较大，引起结构自重较大，影响结构的安全稳定性，同时也增加了现场的安装难度，如何保证承载性能的同时大幅降低自重是急需解决和突破的关键技术之一，二是大直径螺栓球节点的生产制造问题，传统的机床加工方法无法生产大直径螺栓球。

发明内容

本发明针对现有技术中螺栓球节点单重较大，影响结构安全稳定性的问题，提供一种基于拓扑优化的新型大直径螺栓球节点及其制备方法，对直径大于300mm的螺栓球进行优化分析，能够在满足螺栓球节点承载性能的基础上极大的减小螺栓球节点的自重，提高了螺栓球节点的使用性能和安全性能。

本发明采用如下技术方案：一种新型螺栓球节点，其特征在于，包括内部为空腔结构的钢球和设置在所述钢球上、用于连接和承载钢杆的分管，所述钢球与分管一体成型，所述钢球为部分被切除的球冠状，且球冠的高大于钢球的半径，分管沿钢球的法线方向向外设置，且分管沿钢球的周向均匀分布，所述分管为实心结构，分管上具有沿着法线方向设置的沉孔，所述钢球的表面上设置有使相邻分管间平滑连贯过渡的曲面倒圆角，所述钢球表面具有以分管数量、分管位置、分管直径、沉孔直径为参数的经拓扑优化计算得出的与所承载钢杆受力相匹配的曲面形状。

所述分管包括多组分管，所述钢球上被切除的面为钢球的底面，所述多组分管从钢球顶面到底面依次分布，且每组分管均分别沿钢球的周向均匀分布。

所述分管的底部与空腔结构不连通。

所述沉孔为螺栓孔。

所述钢球的直径大于300mm。

所述钢球的直径为350～500mm。

同时建立一种制备螺栓球节点的方法，采用消失模—砂型复合铸造工艺进行铸造，包括以下步骤：

(1)以分管数量、分管位置、分管直径、沉孔直径为参数，利用拓扑优化方法设计出螺栓球节点的三维结构；

(2)根据拓扑优化设计的结果设计螺栓球节点三维模型，根据所述三维模型分别做出泡沫三维模型和砂芯三维模型；

(3)根据泡沫三维模型制作出没有空腔的泡沫模样，根据砂芯三维模型进行木模造芯；

(4)将没有空腔的泡沫模样涂刷厚度大于2mm的醇基涂料；

(5)将涂刷过醇基涂料的泡沫模样填入一定配比的有机酯水玻璃砂开始造型，并将砂型硬化处理；

(6)将砂型中的泡沫以破坏方式取出，形成所述空腔和所述螺栓孔；

(7)将木模制作的砂芯下入所述空腔和所述螺栓孔，并在木模表面涂刷醇基涂料；

(8)合箱浇铸；

(9)落砂清理、热处理、质量检验；

(10)在车床上精加工螺栓沉孔。

本发明的有益效果如下：螺栓球节点的钢球为空心构造，极大的减小了节点的自重，节约材料，有效的降低了施工难度，钢球与分管一体成型，避免了传统螺栓球节点中钢球表面与分管之间的焊缝应力集中问题，提高了本螺栓球节点的承载力，且提高了节点的安全稳定性，钢球的形状和结构通过拓扑优化设计而得到，使整个螺栓球节点的结构得到了改善，螺栓球节点形式简洁、美观，连接方便、安装精度高，且使螺栓球节点的使用性能得到了优化，螺栓球节点传力路线明确，受力形式合理，安全稳定性高。

可以根据需要在本螺栓球节点上连接的钢杆的数量，设置相应数量的分管，即在钢球从顶面到底面上依次布置分别沿钢球周向均匀分布的多组分管，极大的满足钢杆连接的需要。分管的底部与空腔结构不连通，保证螺栓球节点的受力合理和稳定性。所述沉孔为螺栓孔，待连接的钢杆的端部具有螺栓，钢杆端部螺栓与所述分管内的螺栓孔固定连接，从而实现钢杆与本螺栓球节点的固定连接。本发明主要利用拓扑优化的原理对直径大于300mm的螺栓球进行优化分析，得到一种新型螺栓球节点，能够在满足节点承载性能的基础上极大的减小螺栓球的自重。优选的，钢球的直径在350～500mm之间，解决传统螺栓球节点中，螺栓球很大的问题。

本发明螺栓球节点采用适合复杂异型铸件生产的消失模—砂型复合铸造工艺进行铸造，复合工艺不仅利用了消失模泡沫模样设计的高自由度、泡沫加工容易且价格低廉的优势，避免了变形、增碳的问题，而且保留了砂型铸造充型平稳，铸件成分、尺寸稳定的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的正视图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明的仰视图；

图5是本发明的轴测图。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明。

如图1～图5所示，本发明新型螺栓球节点包括内部为空腔结构的钢球1和设置在所述钢球1上、用于连接和承载钢杆的分管2，所述钢球1与所述分管2一体成型，钢球1为部分被切除的球冠状，且球冠的高大于钢球的半径，即钢球1被切除的部分小于钢球1大小的一半，以钢球上被切除的面作为钢球的底面5，所述钢球1的底面5为平面圆结构，钢球1的内部具有空腔结构6。

分管2沿钢球1的法线方向向外设置，即分管2的轴向方向与钢球1的法线方向平行，且分管2沿钢球1的周向方向均匀分布，所述分管2为实心结构，所述分管2上设置有沿着法线方向设置的沉孔4，述分管2的底部与空腔结构6不连通，本实施例中，沉孔4为螺栓孔，待连接的钢杆的端部具有螺栓，钢杆端部螺栓与所述分管2内的螺栓孔4拧紧连接，从而实现钢杆与本螺栓球节点的固定连接。

本实施例中，所述钢球1从顶面(钢球1上的与底面5间距最大的面)到底面5、沿钢球1的法线方向依次设置有两组分管，其中一组分管靠近钢球1的顶面，另一组分管靠近钢球1的底面5，每组分管的分管个数为四个，且每组分管均分别沿钢球的周向均匀分布。

本实施例中，钢球1的表面设置有两组分管，每组分管的分管个数为四个，但本发明不限于此，本领域技术人员容易想到根据需要在本螺栓球节点上连接的钢杆的数量，设置相应数量的分管，所述相应数量的分管体现在本螺栓球节点上，可以是一组分管，也可以是多组分管，所述多组分管从钢球顶面到底面依次分布，且每组分管均分别沿钢球的周向均匀分布，每组分管的分管数量可以相同，也可以不同。

所述钢球1与分管2一体成型，且钢球1的表面设置有使相邻分管2间平滑连贯过渡的曲面倒圆角3，钢球上采用曲面倒圆角3的主要作用是使各个分管2之间的过渡光滑连贯，且使各个分管2与钢球1的表面之间的过度光滑连贯，避免了传统螺栓球节点中钢球表面与分管之间的焊缝应力集中问题，同时提高了本螺栓球节点的承载力。根据分管2的位置的不同，相邻分管2之间的曲面倒圆角也不完全相同。

钢球1表面具有经拓扑优化计算得出的与所承载钢杆受力相匹配的曲面形状，拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种，目前已有工程中应用的通用软件，本领域技术人员可正常使用。

本发明利用拓扑优化方法对钢球的形状和结构进行优化设计，具体的，首先，根据工程中需要在本螺栓球节点上连接的钢杆的数量、钢杆上的螺栓的尺寸，确定钢球表面上需要设置的分管的数量以及分管内螺栓孔的直径；其次，设计分管的数量、螺栓孔(即沉孔)直径、分管直径、分管在钢球表面上的位置；最后，以分管数量、分管位置、分管直径、螺栓孔(即沉孔)直径为参数，利用拓扑优化方法对直径大于300mm的钢球的形状和结构进行优化设计，所述钢球的形状和结构主要是指钢球的直径、需要被切除的钢球部分的大小、钢球内空腔的直径、相邻分管之间的曲面倒圆角半径、钢球表面的形状曲率等等。其中，根据钢球1的直径和分管2的直径比，对钢球进行空腔结构优化处理。经拓扑优化设计后得到本发明新型螺栓球节点。

本实施例中，钢球1的直径大于300mm，利用拓扑优化的原理主要对直径大于300mm的钢球进行优化分析，优选的，钢球直径为350～500mm。

本发明螺栓球节点采用钢球内空腔结构优化处理，在满足承载性能的基础上，能够极大的减小自重，节约材料，使螺栓球节点更好的应用到网架结构中，降低螺栓球节点的安装难度；通过拓扑优化设计钢球的结构和形状，使本发明螺栓球节点传力路线明确，受力形式合理。

具体的，本发明经拓扑优化设计了钢球直径分别为350mm、400mm、450mm和500mm的四种螺栓球节点，四种螺栓球节点上分别设置有两组分管，其中一组分管靠近钢球的顶面，另一组分管靠近钢球的底面，每组分管的分管个数为四个，每组分管均分别沿钢球的周向均匀分布，定义靠近钢球顶面的相邻分管之间的曲面倒圆角为上弦杆间倒角，定义靠近钢球顶面的分管与靠近钢球底面的相邻分管之间的曲面倒圆角为腹杆间倒角，具体参数如表1所示：

为对比本发明新型大直径螺栓球和传统的螺栓球的优劣性，分别选取直径为350mm新型大直径螺栓球和传统螺栓球，传统螺栓球为实心球，且传统螺栓球表面上的相邻分管之间无曲面倒圆角设计。利用ANSYS进行数值模拟分析，计算两种类型的节点在相同荷载条件下的应力分布特征。对比分析结如表2所示：

类型	钢球直径/mm	钢球重量/Kg	最大应力/MPa
				新型大直径螺栓球	350	97.4	203
传统螺栓球	350	176.2	188

由结果可知，本发明的新型大直径螺栓球与传统的螺栓球在相同的直径下，新型大直径螺栓球的重量是传统螺栓球的55.28％。在相同荷载作用下传统螺栓球的最大应力是新型大直径螺栓球92.6％。

结果表明相同直径的本发明大直径螺栓球相比传统螺栓球承载性能几乎相同，但自重却是大大减小了，有效地节约了资源，同时也提高了结构的稳定性与安全性。从算例可见，本发明新型大直径螺栓球是切实可行的，具有较好的应用价值。

螺栓球节点整体浇注成型使得节点的整体结构刚性较大，针对铸造工艺中存在的问题，结合工厂实际生产的经验，本发明螺栓球节点采用适合复杂异型铸件生产的消失模—砂型复合铸造工艺进行铸造，复合工艺不仅利用了消失模泡沫模样设计的高自由度、泡沫加工容易且价格低廉的优势，避免了变形、增碳的问题，而且保留了砂型铸造充型平稳，铸件成分、尺寸稳定的优点。

采用消失模—砂型复合铸造工艺进行铸造，包括以下步骤：

(1)以分管数量、分管位置、分管直径、沉孔直径为参数，利用拓扑优化方法设计出螺栓球节点的三维结构；

(2)根据拓扑优化设计的结果设计螺栓球节点三维模型，根据所述三维模型分别做出泡沫三维模型和砂芯三维模型；

(3)根据泡沫三维模型制作出没有空腔的泡沫模样，根据砂芯三维模型进行木模造芯；

(4)将没有空腔的泡沫模样涂刷厚度大于2mm的醇基涂料；

(5)将涂刷过醇基涂料的泡沫模样填入一定配比的有机酯水玻璃砂开始造型，并将砂型硬化处理；

(6)将砂型中的泡沫以破坏方式取出，形成所述空腔和所述螺栓孔；

(7)将木模制作的砂芯下入所述空腔和所述螺栓孔，并在木模表面涂刷醇基涂料；

(8)合箱浇铸；

(9)落砂清理、热处理、质量检验；

(10)在车床上精加工螺栓沉孔。

其中，由于节点形状复杂，为避免泡沫在造型过程中发生变形，影响铸件的尺寸精度，因此考虑只使用消失模制作节点的外部轮廓，而空心腔体和螺纹孔则另外用木模制砂芯来形成。

相对其他砂型，水玻璃砂成本低廉、容易操作，较树脂砂退让性好，没有S、P等有害元素，其硬化过程采用有机酯硬化，硬化过程方便，铸件气孔、裂纹较少，表面光洁，尺寸精度提高。开箱后的铸件经热处理、化学成分检测、探伤及尺寸测量等工序后，在车床上精加工螺栓沉孔，合格即可交付工程使用。

本发明对螺栓球节点进行拓扑优化处理，有益效果如下：

(1)本发明螺栓球节点大大减小了节点的自重，节约材料，提高了节点的安全稳定性，有效的降低了施工难度；

(2)本发明螺栓球节点形式简洁、美观，连接方便、安装精度高；

(3)本发明螺栓球节点传力路线明确，受力形式合理。

(4)本发明螺栓球节点上可以设置多组分管，实现对多个钢杆连接的需要。

(5)解决传统螺栓球节点中，螺栓球很大的问题。

(6)本发明螺栓球节点采用消失模—砂型复合铸造工艺进行铸造，使设计的自由度高，成本低，螺栓球节点表面光洁，成分和尺寸精度高。

最后所应说明的是：上述实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，任何对本发明进行的等同替换及不脱离本发明精神和范围的修改或局部替换，其均应涵盖在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种新型螺栓球节点，其特征在于，包括内部为空腔结构的钢球和设置在所述钢球上、用于连接和承载钢杆的分管，所述钢球与分管一体成型，所述钢球为部分被切除的球冠状，且球冠的高大于钢球的半径，分管沿钢球的法线方向向外设置，且分管沿钢球的周向均匀分布，所述分管为实心结构，分管上具有沿着法线方向设置的沉孔，所述钢球的表面上设置有使相邻分管间平滑连贯过渡的曲面倒圆角，所述钢球表面具有以分管数量、分管位置、分管直径、沉孔直径为参数的经拓扑优化计算得出的与所承载钢杆受力相匹配的曲面形状。

2.根据权利要求1所述的一种新型螺栓球节点，其特征在于，所述分管包括多组分管，所述钢球上被切除的面为钢球的底面，所述多组分管从钢球顶面到底面依次分布，且每组分管均分别沿钢球的周向均匀分布。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型螺栓球节点，其特征在于，所述分管的底部与空腔结构不连通。

4.根据权利要求3所述的一种新型螺栓球节点，其特征在于，所述沉孔为螺栓孔。

5.根据权利要求4所述的一种新型螺栓球节点，其特征在于，所述钢球的直径大于300mm。

6.根据权利要求5所述的一种新型螺栓球节点，其特征在于，所述钢球的直径为350~500mm。

7.一种制备权利要求1所述的新型螺栓球节点的方法，其特征在于，采用消失模—砂型复合铸造工艺进行铸造，包括以下步骤：

（1）以分管数量、分管位置、分管直径、沉孔直径为参数，利用拓扑优化方法设计出螺栓球节点的三维结构；

（2）根据拓扑优化设计的结果设计螺栓球节点三维模型，根据所述三维模型分别做出泡沫三维模型和砂芯三维模型；

（3）根据泡沫三维模型制作出没有空腔的泡沫模样，根据砂芯三维模型进行木模造芯；

（4）将没有空腔的泡沫模样涂刷厚度大于2mm的醇基涂料；

（5）将涂刷过醇基涂料的泡沫模样填入一定配比的有机酯水玻璃砂开始造型，并将砂型硬化处理；

（6）将砂型中的泡沫以破坏方式取出，形成所述空腔和所述螺栓孔；

（7）将木模制作的砂芯下入所述空腔和所述螺栓孔，并在木模表面涂刷醇基涂料；

（8）合箱浇铸；

（9）落砂清理、热处理、质量检验；

（10）在车床上精加工螺栓沉孔。