基于ABAQUS的焊接結(jié)構(gòu)力學(xué)行為有限元分析

詹友金

（福建商學(xué)院信息工程學(xué)院 福建福州 350506）

連跨型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有良好建設(shè)周期短、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕以及造價(jià)便宜等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及建造業(yè)得到良好的工程應(yīng)用[1]。尤其是作為塑料大棚的支持結(jié)構(gòu)件，通過(guò)節(jié)點(diǎn)連接而成的一種空間桿系結(jié)構(gòu)，其外形呈曲面狀為網(wǎng)殼，呈平板狀的為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[2]。區(qū)別于一般的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，連跨型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)跨度較大，由于外部環(huán)境因素（例如暴雨、暴雪、大風(fēng)等天氣）和內(nèi)部因素（例如負(fù)載過(guò)重、跨度過(guò)大等）的影響導(dǎo)致容易出現(xiàn)坍塌事故發(fā)生[3,4]。所以，在設(shè)計(jì)連跨型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)過(guò)程中更加需要進(jìn)行考慮結(jié)構(gòu)材料的抗壓能力和結(jié)構(gòu)的負(fù)載能力。在本文采用非線性數(shù)值分析軟件ABAQUS對(duì)焊接成形的連跨型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，進(jìn)行自重環(huán)境因素影響下焊接結(jié)構(gòu)的非線性承載能力分析。在形式眾多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，通過(guò)焊接結(jié)構(gòu)件的承載能力計(jì)算對(duì)提高結(jié)構(gòu)件可靠性具有重要工程實(shí)際效果和良好經(jīng)濟(jì)意義。

一、實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)目標(biāo)

（一）有限元分析法。本文網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是由Q235B鋼管焊接形成。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的成形方式為型材焊接。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與成形焊接都是直接涉及到結(jié)構(gòu)安全性的問(wèn)題。有限元分析是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題之后再進(jìn)行求解[5]。本文對(duì)Q235B塑性變形焊接一次成形進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，考慮其塑性變形回彈量對(duì)焊接結(jié)構(gòu)成形性的影響。通過(guò)CAD對(duì)焊接的L型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用非線性數(shù)值分析軟件ABAQUS對(duì)焊接成形的連跨型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。分析環(huán)境因素影響下焊接結(jié)構(gòu)的非線性承載能力。有限元求解問(wèn)題的基本步驟通常為：有限元分析可分成三個(gè)階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，以便用戶(hù)能簡(jiǎn)便提取信息，了解計(jì)算結(jié)果[6]。

（二）拉伸試驗(yàn)。使用CSS-88000電子試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，獲得本文試驗(yàn)用Q235B的基本力學(xué)性能，試驗(yàn)機(jī)選擇：由于試驗(yàn)機(jī)的最大試驗(yàn)力超出太多則試驗(yàn)不準(zhǔn)確，小試樣用大噸位試驗(yàn)機(jī)引起較大的試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差，且試驗(yàn)力應(yīng)為試驗(yàn)機(jī)最大試驗(yàn)力的70%-80%時(shí)因此計(jì)算試驗(yàn)力為：預(yù)估斷裂應(yīng)力（MPa）×(試樣截面積（mm2）)=試驗(yàn)力（N），因此本文選用拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)最大試驗(yàn)力為1噸。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB228-2002中關(guān)于薄板拉伸試樣的制備標(biāo)準(zhǔn)尺寸制備拉伸試驗(yàn)試樣。

（三）鋼結(jié)構(gòu)大棚成形工藝設(shè)計(jì)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用三縱兩卡結(jié)構(gòu)，利用頂部至底部的落差，提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)雪能力和抗振動(dòng)能力，提高材料的再利用率。其主體結(jié)構(gòu)為6米采用3個(gè)圓拱串聯(lián)安裝。要求鋼結(jié)構(gòu)使用壽命達(dá)15年左右。根據(jù)要求設(shè)計(jì)出6米鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)及串聯(lián)方案如下圖1。

圖1 六米鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)串聯(lián)方案

（四）模型裝配與網(wǎng)格劃分。

1.裝配。將建好的二維網(wǎng)架簡(jiǎn)化模型導(dǎo)入進(jìn)入到Assembly模塊中進(jìn)行裝配。然后在ABAQUS的Assembly功能模塊、Load功能模塊和Interaction功能模塊中定義各個(gè)實(shí)體間的相互位置關(guān)系。

2.網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的選取及種子分布：可以在Mesh功能模塊選擇單元形狀，使用virtual topology來(lái)合并小的邊或小的面，也可以忽略某些邊或者某些頂點(diǎn)。然后通過(guò)Seed Part Instance按鈕，把各段單元選中，確定好各單元之間的距離，最后完成網(wǎng)格劃分。

3.加載荷。在Lode模塊中，輸入載荷值大約為0.6Mpa對(duì)模型進(jìn)行加載荷處理。

二、結(jié)果分析

（一）簡(jiǎn)化模型建立。在有限元建模時(shí)，應(yīng)該對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，以達(dá)到在完成分析目的的同時(shí)，極大地降低分析過(guò)程的難度和工作量。為節(jié)約計(jì)算空間，提高計(jì)算效率對(duì)模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：

1.二維線代替實(shí)體管：L型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是直線型實(shí)體鋼管焊接而成，考慮到模型建立的簡(jiǎn)便，將實(shí)體管用線來(lái)代替，對(duì)模型的受力及分析不會(huì)造成影響。

2.直線代替弧線：建立模型時(shí)是自下而上的建模方式，點(diǎn)到線，為了使得單元選擇簡(jiǎn)單，將模型外圓弧用小段直線連接近似代替圓弧。

3.單元簡(jiǎn)化：選擇管單元作為處理單元，其橫截面為圓形，代替Q235B型鋼管橢圓形截面，但保持橫截面積不變。

4.計(jì)算模型的簡(jiǎn)化：選擇代表受載單元建立有限元模型，結(jié)果如圖2所示。

圖2 二維簡(jiǎn)化模型

（二）鋼結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。

如圖3所示，通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)的拉伸試驗(yàn)，鋼材Q235B的應(yīng)變隨著應(yīng)力的增大的增大，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到0.453時(shí)，鋼材斷裂。同時(shí)，通過(guò)有限元模型的簡(jiǎn)化和建立過(guò)程以及建好模型后確定材料常數(shù)值，分別為Q235B密度為7.83×10-9g/mm3，彈性模量為232541MPa，泊松比為0.274。塑料的密度為9.11×10-10g/mm3，彈性模量為750MPa，泊松比為0.4，見(jiàn)表1。

圖3 Q235B力學(xué)性能參數(shù)

表1 Q235B和塑料薄膜的其他參數(shù)

（三）有限元分析。

如圖4a所示，通過(guò)ABAQUS軟件的有限元分析可知網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為5.499×10-4MPa，出現(xiàn)在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靠近約束的部分，即在應(yīng)力云圖中橢圓標(biāo)記處，該處所受最大載荷它的數(shù)值遠(yuǎn)小于Q235的屈服值（235MPa）。由圖4b可知網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的等效塑性應(yīng)變量為0，即表明該結(jié)構(gòu)無(wú)塑性變形量，處于彈性狀態(tài)。如圖4c所示，應(yīng)變?cè)茍D中除塑料薄膜處有等效塑性應(yīng)變外其余各處為零，所以，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是處于彈性變形，符合設(shè)計(jì)要求，能夠抵抗自然載荷的作用。

圖4 有限元分析結(jié)果圖

三、結(jié)論

連跨型焊接網(wǎng)架是廣泛運(yùn)用于塑料大棚的支持結(jié)構(gòu)件，主體結(jié)構(gòu)包括鋼架，覆蓋材料，加固材料。結(jié)構(gòu)主體采用焊接成形方式，棚體采用三縱兩卡，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)6米，落差大。基于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使用ABAQUS軟件對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析實(shí)驗(yàn)選擇Q235B鋼作為研究對(duì)象。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算出了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在外載荷條件下鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變，并通過(guò)應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D形象的表示出來(lái)。應(yīng)力最大值為5.499×10-4MPa，出現(xiàn)在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靠近約束的部分，遠(yuǎn)小于Q235B屈服強(qiáng)度，等效塑性應(yīng)變量為0。即表明該結(jié)構(gòu)無(wú)塑性變形量，處于彈性狀態(tài)。最終得出結(jié)果所設(shè)計(jì)的方案完全符合使用要求。