鑄鋼節(jié)點有限元計算分析方法

葉成浩　堯國皇

【摘 要】本分析報告采用國際大型通用有限元軟件ABAQUS對節(jié)點進行有限元受力分析，重點關(guān)注鑄鋼節(jié)點的應(yīng)力狀態(tài)、變形狀態(tài)以及彈塑性。

【關(guān)鍵詞】鑄鋼節(jié)點；有限元分析

1.前言

鑄鋼節(jié)點是近年來隨著大跨空間桁架結(jié)構(gòu)體系發(fā)展起來的一種新型的結(jié)構(gòu)節(jié)點形式，具有受力明確、直接、承載力大，減少了節(jié)點板、節(jié)點球的次應(yīng)力對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，可在工廠內(nèi)整體澆鑄，具有良好的適應(yīng)性，可根據(jù)建筑需要生產(chǎn)出具有復(fù)雜外形和內(nèi)腔的節(jié)點。因其優(yōu)越的性能，在國外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大跨空間桁架鋼結(jié)構(gòu)中的重要節(jié)點，在國內(nèi)也在逐步推廣應(yīng)用。

2.ABAQUS軟件介紹

ABAQUS是一套功能強大的基于有限元方法的工程模擬軟件，它可以解決從相對簡單的線性分析到極富挑戰(zhàn)性的非線性模擬等各種問題。ABAQUS具備十分豐富的單元庫，可以模擬任意實際形狀。ABAQUS也具有相當豐富的材料模型庫，可以模擬大多數(shù)典型工程材料的性能，包括金屬、橡膠、聚合物、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮的彈性泡沫，以及地質(zhì)材料，例如土壤和巖石等。作為一種通用的模擬工具，應(yīng)用ABAQUS不僅能夠解決結(jié)構(gòu)分析（應(yīng)力/位移）問題，而且能夠模擬和研究包括熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴散、電子元器件的熱控制（熱一電耦合分析）、聲學、土壤力學（滲流—應(yīng)力耦合分析）和壓電分析等廣闊領(lǐng)域中的問題。

ABAQUS為用戶提供了廣泛的功能，使用起來又十分簡便。即便是最復(fù)雜的問題也可以很容易地建立模型。例如，對于多部件問題，通過對每個部件定義合適的材料模型，然后將它們組裝成幾何構(gòu)形。對于大多數(shù)模擬，包括高度非線性的問題，用戶僅需要提供如結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料性能、邊界條件和荷載工況這些工程數(shù)據(jù)。在非線性分析中，ABAQUS能自動選擇合適的荷載增量和收斂準則，ABAQUS不僅能夠自動選擇這些參數(shù)的值，而且在分析過程中也能不斷地調(diào)整這些參數(shù)值，以確保獲得精確的解答。對于控制問題的數(shù)值求解，用戶幾乎不必去定義任何參數(shù)。

3.有限元分析模型的建立

在AutoCAD建立節(jié)點模型后直接導(dǎo)入ABAQUS軟件中進行分析。材料模型為線彈性，鋼材彈性模量取2.06×105MPa，泊松比為0.3。

由于鑄鋼節(jié)點幾何構(gòu)造比較復(fù)雜，選用實體單元C3D4對幾何模型進行自由劃分。單元網(wǎng)格采用細分網(wǎng)格的網(wǎng)格實驗方法，確定合適的網(wǎng)格，控制單元最小尺寸，以保證有限元分析結(jié)果的準確性。

分析模型及材料特性的選取均參考原設(shè)計關(guān)于鑄鋼節(jié)點的說明及《鑄鋼節(jié)點應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》CECS 235：2008相關(guān)的規(guī)定和規(guī)程GB T 11352-2009《一般工程用鑄造碳鋼件》的相關(guān)規(guī)定。

材料：理想彈塑性材料，滿足Von-Mises屈服準則；鑄鋼節(jié)點采用GS-20Mn5V，屈服強度取300Mpa。圖1所示為鑄鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。

4 有限元分析結(jié)果

為了便于了解節(jié)點內(nèi)部鑄鋼的應(yīng)力狀態(tài)，圖6給出了節(jié)點內(nèi)部的應(yīng)力云圖。

5.鑄鋼節(jié)點有限元分析結(jié)論

在設(shè)計荷載作用下，鑄鋼件節(jié)點mises應(yīng)力值不超過材料的設(shè)計強度。

在最不利荷載組合下鑄鋼節(jié)點的最大應(yīng)力為270.5N/mm2，不超過鑄鋼材料的設(shè)計強度，鑄鋼節(jié)點一（滿足設(shè)計要求。