钢结构塔架节点有限元分析.docVIP

钢结构塔架节点有限元分析 　　【摘要】以某游乐设施的塔架节点为研究对象，应用ABAQUS软件建立节点模型，对其两种节点模型进行数值模拟分析，最后通过数值计算结果与材料的容许强度以及容许位移相比较，来验证该节点在最不利荷载作用下满足强度以及变形要求。 　　【关键词】钢结构塔架；节点；有限元分析；强度；变形 　　0.引言 　　随着我国经济建设的快速发展，长期以来钢筋混凝土结构和砌体结构一统天下的局面正在发生变化。但有些结构因节点设计失稳破坏，造成人员伤亡、财产损失的案例也时有发生，究其原因通常是由于结构节点在计算过程中容易产生误差，本文主要对某游乐设施中的塔架节点采用ABAQUS有限元分析并验证其安全性。其中节点[4][5]形式主要有2种，一种是方钢管柱子的拼接节点，另一种是柱子和支撑的相贯节点。第一种拼接节点采用柱四周全熔透坡口对接焊缝，并在外侧采用偏心高强螺栓连接及四周围焊，如图1所示；第二种节点采用四周坡口角焊缝连接，如图2所示。 　　1.节点的有限元建模 　　本文主要应用ABAQUS/STANDARD软件分析节点的受力过程，具体分析步骤如下[2]： 　　1.1建立实体模型 　　根据一般钢结构高强螺栓节点的尺寸分别建立方钢管、垫块、支撑和高强螺栓的模型，如图3至图5所示。 　　1.2定义材料 　　首先输入弹性模量210GPa和泊松比0.3，其次输入柱子、支撑及节点垫块的屈服强度235MPa和高强螺栓的屈服强度900MPa。 　　1.3定义装配件 　　由于整个分析模型是一个装配件，前面在part部件模块中建立的各个部件将在assembly功能模块中装配起来。在创建各个部件的过程中，各部件都有精确尺寸，因此，在装配的过程中，只要按照各个部件的相对位置组合起来即可。 　　1.4.定义接触 　　为了真实的模拟高强螺栓连接，在本模型中定义了如下几个接触面。 　　（1）垫块和柱子的接触； 　　（2）柱子拼接处的接触； 　　（3）高强螺栓和垫块的接触； 　　（4）支撑和柱子的接触。 　　1.5螺栓连接的简化 　　由于螺纹处的应力应变不是关心的重点，因此，为简化建模，避免收敛困难，在螺钉和螺孔内表面之间建立绑定约束（tie）。这样得到的模型会比实际结构刚硬。建立绑定约束的两个面在整个分析过程中都会紧密连接在一起，不会分开，如同一个整体。Tie绑定约束，Position Tolerance（位置误差限度）设为Specify distance：XXX.含义：与主面距离小于此限度的从面节点都会受到绑定约束。对于在位置误差限度内的从面节点，ABAQUS将调整其初始坐标，使其与主面的距离为0。注意不要将值设太大，以免由于调整从面节点位置，而造成较差的单元形状。 　　1.6 紧力的模拟 　　在abaqus中模拟螺钉预紧力的两种方式：（1）施加螺栓载荷（bolt load）；（2）定义过盈接触（contact interference）。其中施加螺栓载荷（bolt load）可以模拟螺钉的预紧力和各种均匀预应力。定义螺栓载荷时，需要指定螺钉上的一个受力截面。施加螺栓载荷的方式三种：A、Apply force：指定预紧力；B、Adjust length：调整螺钉长度；C、Fix at current length：保持螺钉当前长度。注意：螺栓载荷为正值时表示使受力部件缩短；螺栓载荷为负值时表示受力部件伸长。在做螺栓接触分析时，可以设好几个分析步，已达到平稳接触。在前几步使用Apply force，后几步用Fix at current length。含义：在该分析步的开始，去除螺钉的预紧力，让螺钉保持上一步结束时的长度。在该步分析结束后，如果有其他外载荷，螺钉长度会发生变化。定义过盈接触（contact interference）。过盈配合与载荷类似，无法在初始分析步中定义。 Gradually remove slave node overclosure during the step（在分析步中逐渐去掉从面节点的过盈量）；Uniform allowable interference（允许的过盈量），在Magnitude allowable interference后面输入一个微小的过盈量-0.0001（注意不要忽略负号，负号表示过盈量，正值表示间隙量）。若使用ABAQUS默认的幅值曲线Ramp，ABAQUS会在分析步开始施加全部的过盈量，然后使其逐渐减少，到分析步结束时过盈量将为0。这样在后处理中会看到，在分析步结束时模型没有过盈接触，接触面上的接触压强CPRESS为0，这样的结果是不对的。因此，不能使用ABAQUS默认的幅值曲Ramp。 　　2.节点的有限元分析 　　2.1最不利荷载组合状态下，柱子