复杂钢结构节点的建模与有限元分析的实操流程

 

在确定杆件截取长度后，就可从整体分析模型中提取节点线模（即杆件轴线模型）以及杆端节点力。这里介绍使用SAP2000做整体分析的情况，具体操作步骤如下：

●  根据截取长度，将节点各杆件打断，即在对应长度处生成一个新节点，然后进行整体结构计算；

●  对节点的各杆件按规范进行设计，选出主要构件的控制工况，又或者是对大部分杆件的最不利工况；

●  导出节点线模为dxf文件，用于导入CAD中进行三维实体放样；

●  导出最不利工况下各杆件打断处的节点力（力和力矩），用于有限元分析中的荷载定义。建议导出整体坐标的节点力，而不是杆件的截面内力。

以某工程的钢桁架节点为例，下图给出对应的分析模型和杆端节点力输出。

 

SAP2000输出各杆端节点力和力矩

实体节点模型的创建可以使用AutoCAD或者Rhino。小编认为AutoCAD足以应付各种复杂实体节点模型的创建，推荐各位使用。

导入由SAP2000输出的线模dxf文件后，主要通过以下几步来建模。

● 涉及AutoCAD的命令： 3DROTATE 、 UCS。

● 部分需要掏空或非常规截面可使用“并集”（ UNION ）、“差集”（ SUBTRACT ）和“交集”（ INTERSECT ）来实现。

3、沿杆件轴线将截面拉伸为三维实体

● 以杆件轴线作为拉伸路径，用 EXTRUDE 命令对各个截面（面域属性）进行拉伸，创建出实体部件。

● 应结合节点受力状况和设计思路，明确各个构件在节点域内是连续还是中断后，才依次进行拉伸。

● 实体部件在节点域内重叠部分，可以使用 SLICE 、 UNION 、 SUBTRACT 、 INTERSECT 等命令进行分割。

● 各种加劲板建模方式与杆件类似，在确定其与节点域相对位置后，使用对面域拉伸的方式创建。

4、将各杆件、加劲板等实体分别输出为多个sat格式文件

实际上，AutoCAD还可以输出 iges 或 igs 格式文件，它是基于初始化图形交换规范的一种通用格式文件。但经小编试验发现，采用这种格式导入为ABAQUS的部件后，在网格划分中适应性较差，特别是当几何形状较为复杂时，ABAQUS网格划分就很容易生成质量较差的单元。因此，建议还是输出 sat 格式文件导入。

Part → Property → Assembly → Step → Interaction → Load → Mesh → Job

在创建有限元分析模型前，必须先确定单位制系统，小编习惯采用 mm、N、kg 这个单位制系统。

各个分析部件已经在AutoCAD中完成并输出sat文件了，在该模块中只需通过import part导入各个sat文件即可，如下图所示。

 

Part模块定义

导入过程中的部件参数设置可按下图所示定义。小编建议将各构件分别导入为多个部件part，以便后续能更容易获得良好的网格划分结果。

将sat文件导入为Part的参数设置

2、Property模块

钢材本构采用双线性强化模型即可。在Material对话框中分别定义密度、弹模和塑性应力应变关系，如下图所示。

 

Material模块定义

该模块主要用于生成分析模型和定义部件相对关系，以便后续接触定义、网格划分等。由于部件是采用AutoCAD输出的sat格式文件，各个部件的相对位置信息（与CAD实体模型的整体坐标值是一致的）是可以传递到ABAQUS中的。因此，只需在该模块中将所有部件创建为Instance即可，如下图所示。

 

Assembly模块中生成的Instance

需要注意的是，在创建Instance对话框中，建议类型选 “Independent” 和 不要勾选“Auto-offset” ，如下图所示。

 

创建Instance的参数设置

当然，在Assembly模块中还可以利用Partition Cell的各种工具，进行初步人工剖分，将一个部件分解为多个相对规则物件的组合，以便生成高质量的分析单元体。此外，还可以在该模块中定义一些辅助工作平面，方便后续约束定义、荷载施加、网格划分等。

该模块主要是定义分析类型、分析方法、计算参数设置、计算结果输出控制等。对于钢结构节点来说，一般需要验算其极限承载能力，采用ABAQUS提供的静力计算方法（隐式迭代计算）即可，如下图所示。

 

分析方法和步长的参数设置

该模块主要是定义各个构件之间的相互作用、约束、接触等。对于钢结构节点来说，各构件主要采用 焊接 方式连接，因此分析模型可通过定义 Tie约束 来模拟。下图所示高亮区域分别为：H型钢与桁架弦杆焊接、斜腹杆与桁架弦杆焊接，此外还有内加劲板与桁架弦杆焊接。

 

各杆件的焊接定义

 

Tie定义的参数设置

节点域内加劲板的焊接定义

为对应输入SAP2000模型的杆端节点荷载，在该模块中还需要 建立参考点 （下图中的RP1~RP4），将各个杆件截面上分析节点的六个自由度与参考点约束在一起。当荷载施加在参考点上时，就 等同 荷载作用于杆件截面上。

 

参考点与截面约束关系定义

该模块主要用于荷载施加和支座定义。将SAP2000整体模型输出的各个杆端节点力和力矩（前文excel表）按整体坐标输入。需要注意的是，当采用 节点力形式 时，可直接按SAP2000输出的数值输入ABAQUS。当采用 截面内力形式 时，则需要对输出数值 反号 后，再输入到ABAQUS中。

 

荷载施加定义

此范例是将H型钢梁端截面定义为支座，且将其截面的六个自由度均约束住，如下图所示。

 

支座约束定义

该模块主要用于网格划分和单元定义。尽管ABAQUS提供了强大的 网格自适应划分技术 ，但是对于一些复杂钢结构节点，尤其是存在弧形边的情况，如何mesh出高质量网格，往往成为有限元分析的关键。

实际上，很多情况是由于建模方式不合理，导致程序对局部区域无法进行网格划分。此时，就要求使用者根据节点模型复杂程度进行 人工剖分 （Partition） ，形成相对规则的实体部件组合。

前面在介绍三维建模过程中，建议对各个杆件分别建模与导入的原因也在于此。若对节点进行整体建模或者融合成一个几何体块，ABAQUS对于连续复杂边界或形体的识别是有困难的，进而影响了网格划分。

一般来说，首选 结构化网格划分技术（Structured） 进行划分，以此得到高质量分析单元。若模型存在曲线或弧形边界，则可以考虑使用 扫掠网格划分技术（Sweep） 。当上述两种划分技术都无法获得较好网格时，建议对建模方式、剖分方式进行调整，以获得合适计算的网格结果。

如下图所示，ABAQUS自动识别出部件的绿色区域，就可采用结构化网格划分技术进行划分，这是最理想的状况。

 

网格划分技术控制

划分单元大小主要根据整个节点尺度大小、计算单元数量等来确定。考虑到一般分析研究的钢结构节点杆件尺寸在2~5m这个范围内，建议 单元大小控制在20~40mm 。此外，对钢结构板件来说， 沿板件厚度至少还需划分2~3个单元 ???????????? ，可通过手动或者指定边长种子数量来划分。

 

单元尺寸大小控制

对于实体节点来说，建议采用 C3D8R单元 ，即8节点六面体线性减缩积分单元。这类单元对网格划分适应性较好，计算成本较低，且能满足工程计算精度要求。

 

分析单元类型控制

在完成定义网格划分技术控制、网格尺寸、单元类型后，就可以让ABAQUS进行自动网格划分了。该节点的划分完成效果如下图所示。

 

完成单元划分效果

前文提及的桁架节点是来自某多层展览馆的大跨度环形空间钢桁架结构。本工程在结构设计上，利用沿环向分布的三个交通筒体，布置了三个主受力钢框架结构 （共15根Q420C箱型钢柱） 。在三层（下弦层）至屋面（上弦层）的楼层空间内，沿内外墙立面设置两榀环形的空间桁架 （跨度约为70m，桁架结构高度为7m） 。上下弦杆之间设置斜向及竖向腹杆。整个环形空间钢桁架结构由15根钢柱支承。

 

 

该工程选取了桁架几个关键部位节点进行有限元分析，具体分析结果如下。

 

下弦杆节点分析结果

 

现场施工完成效果

 

支承框架梁柱节点分析结果

现场施工完成效果

 

上弦杆节点分析结果

现场施工完成效果