铰接(英文名:hinging),指用铰链连接,是一种常用的机械连接方式。其类型包含虚铰与实铰、单铰与复铰,具有活动灵活、能使各个方向受力的特征。
铰接被广泛应用于汽车、机器人、生物工程等工业领域,常用在转动装置上,比如机器、车辆、门窗上的两个装置或零件的连接。工程施工中,主梁与次梁的连接,铰接应用也较多。日常生活中常见的汽车门与车体连接、家具部位之间的连接也都是铰接应用的体现。随着城市化进程的加速和公共交通需求的不断增加,这种设计逐渐被汽车制造商采用和发展,铰接客车技术逐渐成熟,成为了广泛应用于公共交通领域的车型。
定义
铰接指用铰链连接,是一种常用的机械连接。其是在材料的联结点设置一种结构,像铰链一样可以上下左右旋转但不能移动,具有活动灵活、能使各个方向受力的特征。
类型
铰接类型包含虚铰与实铰、单铰与复铰。
单铰与复铰
一个铰链连接两个杆件称单铰,若连接两个以上的杆件称复铰。一个有n个杆件的复铰相当于n-1个单铰。
实校与虚铰
实际存在的铰链称为实较,两杆件轴线延长线的交点在瞬间也具有铰链的性质,故称为瞬铰,相对于实佼而言,又把瞬饮称为虚铰。
设计方法
梁与柱铰接,当采用连接板与柱和梁相连,并采用高强度螺栓摩擦型连接时,高强度螺栓的计算除了考虑作用在梁端部的剪力外,尚应考虑由于偏心所产生的附加弯矩的影响,偏心弯矩M应按下式计算。当采用现浇钢筋混凝土楼板将主梁和次梁连成整体时,可不计算偏心弯矩的影响。
应用领域
铰链连接广泛应用于汽车、机器人、生物工程及其他工业领域。在工程仿真中,ansys 提供的 MPC184-Revolute 单元常被用于模拟铰链连接行为;此外,刚性连接、柔性连接以及其他多点约束(MPC)算法也可用于此类连接的建模。铰接通常用于连接可相对转动的两个部分,常见于机械装置、车辆结构、门窗组件及家具部件中。实际工程中,例如主梁与次梁的连接也常采用铰接形式。日常生活中,汽车车门与车身的连接、家具各部位之间的连接均为铰接的典型应用实例。黄花岗七十二烈士墓园中红铁门门扇与门柱的连接处,也体现了铰接工艺的实际使用。
建筑
现实中钢结构的连接并无绝对的刚接与铰接,大部分节点形式属于半刚性。但为了降低计算难度,在传统的分析与设计中,连接节点常被简化为理想的铰接节点或刚接节点。一般认为连接对转动的约束达到理想刚接的90%以上时,可视为刚接。在外力作用下,梁柱轴线夹角的改变量达到理想铰接的80%以上时,可视为铰接。
在高层钢结构的节点设计中,梁一柱连接的节点是关键的节点,根据梁对柱的约束刚度(转动刚度),节点的连接大致可分为刚性连接、半刚性连接和铰接连接三种类型。柱脚可分为刚性固定连接和铰接连接两种类型。当多高层建筑无地下室时,柱脚一般应采用刚接,以保障结构的整体侧向刚度;多高层建筑有地下室时,柱脚可采用铰接,除柱脚构造简单,现场安装方便外,地下室部分起到了提供底部柱段的抗侧刚度。在工程实践中,如何判别一个节点属于刚性或铰接连接主要是看其转动刚度,刚性连接应不会产生明显的连接双角变形,即连接夹角变形对结构抗力的减低应不超过5%。
钢结构中,梁与柱的连接通常采用3种形式,柔性连接(也称铰接)、半刚性连接和刚性连接。在工程实践中,如何判别一个节点属于刚性、半刚性或铰接连接主要是看其转动刚度 ,刚性连接应不会产生明显的连接夹角变形,即连接夹角变形对结构抗力的减低应不超过5%。半刚性连接则介于二者之间。梁柱的半刚性连接可以采用在梁端焊上端板,用高强螺栓连接,或是用连于翼缘的上、下角钢和高强螺栓。其设计要求如下:在端板连接节点中力的传递可将梁端弯矩简化为一对力偶,拉力经受受拉翼缘传递。受拉螺栓对受拉翼缘对称布置。压力可以通过端板或柱翼缘承压传递,压力区螺栓可少量设置,并和受拉螺栓一起传递剪力;用上下角钢连接的节点中,受拉一侧的连接角钢在弯矩作用下,不仅竖肢变形,水平肢也变形。因此,角钢连接的刚度比端板者稍低。刚性连接这种构造假定梁柱连接有足够的刚性,梁柱间无相对转动,连接能承受弯矩。铰支连接这种构造假定结构承受重力荷载时,主梁和柱之间只传递垂直剪力,不传递弯矩。这种连接可以不受约束的转动。在钢结构框架的传统分析与设计中,为简化分析设计过程,梁柱连接被认作理想的铰接连接或完全的刚性连接,并且认为:连接对转动约束达到理想刚接的90%以上,可视为刚接;在外力作用下,柱梁轴线夹角的改变量达到理想铰接的80%以上的连接视为铰接。采用理想铰接的假定,将意味着梁与柱之间没有弯矩的传递,就转动而论,用铰连在一起的梁和柱将相互独立地转动。
连接性质的划分应由下列三项指标来表征:抗弯刚度,转动刚度,延性(转动能力)。抗弯承载力是连接强度的主要项目,此外还有抗剪强度。刚性连接从理论上来说,承受弯矩和剪力的能力应该不低于梁的承载能力,亦即不低于梁的塑性铰弯矩和腹板全塑性剪力。地震区的框架应该要求更高,体现“强连接-弱构件”的原则。对于柔性连接则只要求其抗剪能力。半刚性连接介于刚性和柔性连接之间,必须具有一定的抗弯能力。连接的转动刚度由弯矩-转角曲线的斜率来体现,它不是常量,转动刚度对框架变形和承载力都有影响。对变形的影响需要结合正常使用极限状态进行分析。为此,应考察连接的初始刚度或标准荷载作用下的割线刚度。刚性连接的刚度,理论上需要达到无限大,但实际上只要达到一定的限值就可以看作是刚性连接,问题在于如何从数量上做出界定。转动能力属于延性指标,塑性设计的框架要求塑性铰部位有一定转动能力,以便后续的内力重分布能够出现。
公交车
铰接式客车,也被称为"联结式客车"或"拐弯客车",其最初的设计灵感来自于铁路车辆的连接方式,目的是为提升车辆的载客能力及运输效率。随着城市化进程的加速和公共交通需求的不断增加,这种设计逐渐被汽车制造商采用和发展,铰接客车技术逐渐成熟,成为了广泛应用于公共交通领域的车型。
20世纪80年代,为缓解城市交通压力,中国第一批早期铰接式客车诞生,由中车株洲电力机车有限公司研制。该车采用三轴铰接式车身,车长达到16m,客容量可达90人,相较于普通车辆,其载客能力进一步提升。20世纪90年代之后,中国的老式单铰接客车相继退出了市场。21世纪初,大量的人口集中到了城市,导致已有的公共交通陷入困境,不能再满足人们的出行需求。为了应对城市交通问题,厦门金龙联合汽车工业有限公司、黄海客车以及宇通客车等车企都加大了研究新型铰接客车的力度,2010年,由厦门金龙公司制造,载客量150人,长度18m的铰接客车开始运营。2012年12月,郑州市引进了由郑州宇通制造的单铰接公交客车,全长18m,满载客容量能达到159人。
在单铰接客车发展的同时,多编组铰接客车的研制也在同步进行。多编组铰接客车是一种在原有单铰接式客车基础上再次增加铰接部分的客车,具备更长的车身,更大的承载量和更好的车内空间布局,相对于普通的铰接客车具有更大的优势和潜力。中国外生产厂商加大了对多编组铰接客车的研发,并正式投放到公开道路上使用。2003年,由比利时 VanHool公司生产的AGG300 型双铰接客车正式下线。该车搭载了最大功率 256kW(360ps),最大扭矩 1450N.m的直列六缸发动机。车身全长24.8m,客容量可达160人,最小转弯半径 57.9m。2012年,德国德累斯顿落地了当时世界上最长的铰接式客车圆,由凯斯博瑞尔中国首次下线的 25m 双铰接客车由浙江省青年尼奥普兰汽车生产。该车全长24.6m,宽度 2.5m,车身高度为 3.2m,采用可调节的空气弹簧和筒式液压减震器,提升了乘客的乘坐舒适性,最高可容纳210人。2017年,中车株洲电力机车研究所有限公司研制出了全球首列虚拟轨道列车,全名Autonomous rail Rapid Transit,该车由电力驱动,整车全长31.64m,宽2.65m,车身高度 3.4m,满载重量高达48吨,客容量可以达到307人。支持双向行驶,遇到特殊道路能够便捷的转向。
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