中國動漫館節(jié)點有限元分析

金紹武，李 紅，胡帥軍，王儀政

中國動漫館節(jié)點有限元分析

金紹武，李 紅，胡帥軍，王儀政

（湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院，湖北武漢430068）

以中國動漫館為例，利用Sap2000的計算結果，將節(jié)點處各桿端力作為荷載加于節(jié)點進行有限元分析計算。使用ANSYS對本工程關鍵部位節(jié)點進行最不利工況下的強度驗算，以保證工程的安全可靠。

中國動漫館；節(jié)點；ANSYS

1 工程概況

中國動漫博物館位于浙江省杭州市白馬湖畔，總建筑面積約為30382m2。本項目建筑主體最高點距地面44.50m，一層采用鋼板剪力墻結構，二層及以上采用鋼板剪力墻＋跨層桁架結構。建筑最大平面尺寸為152m×63m，地上六層，局部設夾層與地下室（圖1）。

圖1 中國動漫館上部結構模型三維視圖

2 分析計算軟件

根據(jù)Sap2000里導出的桿件截面尺寸和相對幾何關系的線框模型，采用CAD軟件完成鑄鋼節(jié)點的CAD模型設計。通過ANSYS自帶接口，將幾何模型從CAD軟件中導入到ANSYS分析軟件［1］。

3 節(jié)點有限元分析

有限元模型單元選取實體單元SOLID187的10節(jié)點高階單元，取單元大小為15mm，為鑄鋼節(jié)點中鋼管最小壁厚30mm的1／2。對不同網(wǎng)格尺寸及單元類型試算結果表明，計算結果精度滿足工程需要。模型節(jié)點總計約181萬，單元總計約122萬。材料的彈性模量E和泊松比ν分別取為2.06× 105MPa和0.3，材料模型采用理想彈塑性模型，鑄鋼型號選用G20Mn5N，強度設計值f＝235N／mm2。

圖2鑄鋼節(jié)點各桿件編號示意分圖

圖3節(jié)點網(wǎng)格劃

根據(jù)Sap2000計算結果，鑄鋼節(jié)點（圖2、圖3）各工況下內(nèi)力以軸力為主，剪力及彎矩相對較小，因此取主管（編號3754）軸力最大工況進行計算。為了真實的模擬節(jié)點的實際受力邊界，對節(jié)點最粗支管（編號3754）下端面進行剛性約束。在加載的過程中值得注意的是，從Sap2000導出的是單元內(nèi)力，在ANSYS中通過在各桿件端面建立局部坐標系，并旋轉節(jié)點坐標系至局部坐標系，使其與Sap2000單元坐標系重合［2］。節(jié)點各桿端面內(nèi)力見表1所示。節(jié)點分析結果見圖4。

圖4 von Mises等效應力云圖

表1 最大支管（編號3754）軸力最大工況內(nèi)力

4 結論

通過上述分析計算，得出以下結論：

1）由鑄鋼節(jié)點等效應力圖可知，最大等效應力約為493MPa，但此區(qū)域范圍較小，且主要是由于對最粗支管（編號3754）下端面進行剛性約束引起的。這種由于人為約束的邊界條件帶來的節(jié)點遠端較大應力分布可以不予考慮［3］。

2）由鑄鋼節(jié)點附近的von Mises等效應力云圖可知，在節(jié)點附近（圖中標有MX處），最大等效應力約為247MPa。篩選出應力值超過235MPa（強度設計值）的有限元節(jié)點，等效應力在235～247MPa范圍內(nèi)的共有5個（表2）。1.2），因此，節(jié)點在上述荷載工況作用下最大等效應力247MPa小于調(diào)整后的應力限值282MPa，故綜合來看節(jié)點強度滿足設計要求。

3）在建模及計算過程中發(fā)現(xiàn)，模型各部分（包括倒角）的尺寸、角度等，對計算結果有較大影響，如果處理不好，可能會出現(xiàn)局部應力集中現(xiàn)象。這種應力集中有的可能是由于數(shù)值求解異常方面引起的，也有的可能是由于倒角或平面不夠光滑引起的真實的應力集中。因此，在指導節(jié)點加工時，應嚴格控制模型各部分（包括倒角）的尺寸、角度及表面光潔度，所加工的形狀與設計提供的模型相一致，并按照相關標準的相應要求，保證鑄鋼節(jié)點的加工質(zhì)量［4］。

表2 應力值超過強度設計值的節(jié)點編號及應力

由表2可知，各主應力均為壓應力，這些部位可發(fā)展較大塑形變形而不破壞，強度設計值可以調(diào)整為1.2×235＝282MPa（按《鑄鋼節(jié)點應用技術規(guī)程》（CECS 235：2008）中4.2.4條及條文說明規(guī)定，β取

［1］ 童樂為，孫建東，王斌，等.空間KK形圓管搭接節(jié)點靜力性能試驗研究與有限元分析［J］.建筑結構學報，2013（2）：91－98.

［2］ 聶建國，秦凱，肖巖.方鋼管混凝土柱節(jié)點的試驗研究及非線性有限元分析［J］.工程力學，2006（23）：99－109.

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［4］ 邢麗，趙陽，董石麟，等.矩形鋼管焊接空心球節(jié)點承載能力的有限元分析與試驗研究［J］.浙江大學學報：工學版，2006，40（9）：1559－1563.

The Finite Element Analysis of the Joint of Chinese Animation Museum

JIN Shaowu，LI Hong，HU Shuaijun，WANG Yizheng
（School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

This paper takes the Chinese Animation Museum as an example.Based on the calculation result by using Sap2000，this paper carries out the finite element analysis and calculation of the node load on the rod end force as nodes.ANSYS is used to check and calculate the strength of the key node positions of the project，to ensure the safety and reliability of engineering.

Chinese Animation Museum；joint；ANSYS

TU311.41

A

［責任編校：張巖芳］

1003－4684（2017）04－0119－02

2016－06－28

金紹武（1992－），男，湖北襄陽人，湖北工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為道路與橋梁工程