一种对铸钢节点有限元分析的方法与流程

本发明属于结构分析
技术领域：
，特别涉及一种对铸钢节点有限元分析的方法。
背景技术：
：随着我国体育场馆、会展中心、机场候机楼、铁路车站、高层建筑等大型复杂钢结构工程建设的快速发展，铸钢节点以其优美的外观造型、优良的力学性能及焊接工艺性能，越来越受到工程界的关注。近年来，在大跨度空间结构及高耸结构中，承载力大、构造复杂的铸钢节点日益得到广泛应用，并取得良好的技术经济效益。湄潭体育场按国家标准丙级规模设计，建筑面积21209平方米，座位20030个，内设足球场、400米跑道。位于湄潭体育场37轴伞状支撑底部的铸钢节点，多杆件交汇且内力较大。因此如何按强度条件和刚度条件验算铸钢节点的几何尺寸，得到铸钢节点的构造规则及其合理形式；如何为铸钢节点的试验结果提供对比依据，保证湄潭体育场的使用安全，成为急需解决的问题。技术实现要素：本发明的目的要解决上述技术问题。本发明的目的是这样实现的：一种对铸钢节点有限元分析的方法，其特征在于：包括以下操作步骤：a）、建立铸钢节点三维模型；b）、采用弹塑性有限元分析，考虑到节点连接处应力状况较为复杂，局部可能存在应力集中现象，导致弹性应力过大，采用弹塑性有限元分析符合实际情况；c）、分析荷载，分析时选取一根外弦杆的一个端面施加固定约束，其余端面根据整体结构分析所得节点力施加荷载，为了忽略madis计算模型理想刚度与实际节点刚度的不同可能导致的差异，偏保守的使用了各杆件在madis计算模型中杆件交汇处的杆端内力，并将杆端内力通过耦合的点均匀地加载到各杆件的加载面上，通过对比分析，分别取出杆件轴压力最大时荷载组合、轴拉力最大时荷载组合、杆件的弯矩及剪力最大的工况时荷载组合的内力予以验算；d）、选择材料屈服准则，材料屈服准则为vonmises准则；e）、单元类型和网格划分，采用solid95单元，按照智能划分实体单元；f）、应力云图比较分析，分别通过对杆件轴压力最大时荷载组合、轴拉力最大时荷载组合、杆件的弯矩及剪力最大的工况时荷载组合的应力云图及变形云图进行比较，验证铸钢节点的安全性。本发明按强度条件和刚度条件验算铸钢节点的几何尺寸，得到了铸钢节点的构造规则及其合理形式；为铸钢节点的试验结果提供了对比依据，保证了体育场的使用安全，推广应用具有良好的经济和社会效益。附图说明图1是本发明的流程图。图2是本发明实施例一的铸钢节点结构示意图。图3是本发明实施例一的铸钢节点杆件局部轴方向示意图。图4是本发明实施例一的铸钢节点铸钢件材料应力－应变关系曲线图。图5是本发明实施例一的铸钢节点模型网格划分示意图。图6是本发明实施例一的铸钢节点杆件的弯矩及剪力最大的工况时荷载组合的工况应力云图a。图7是本发明实施例一的铸钢节点杆件的弯矩及剪力最大的工况时荷载组合的工况应力云图b。图8是本发明实施例一的铸钢节点杆件的弯矩及剪力最大的工况时荷载组合的工况应力云图c。图9是本发明实施例一的铸钢节点杆件的弯矩及剪力最大的工况时荷载组合的工况剖面应力云图a。图10是本发明实施例一的铸钢节点杆件的弯矩及剪力最大的工况时荷载组合的工况剖面应力云图b。图11是本发明实施例一的铸钢节点杆件的弯矩及剪力最大的工况时荷载组合的工况剖面应力云图c。图12是本发明实施例一的铸钢节点杆件的弯矩及剪力最大的工况时荷载组合的工况变形云图。图中：1.主管；2.分支管a；3.分支管b；4.分支管c；5.分支管d。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限制：一种对铸钢节点有限元分析的方法，其特征在于：包括以下操作步骤：a）、建立铸钢节点三维模型；b）、采用弹塑性有限元分析，考虑到节点连接处应力状况较为复杂，局部可能存在应力集中现象，导致弹性应力过大，采用弹塑性有限元分析符合实际情况；c）、分析荷载，分析时选取一根外弦杆的一个端面施加固定约束，其余端面根据整体结构分析所得节点力施加荷载，为了忽略madis计算模型理想刚度与实际节点刚度的不同可能导致的差异，偏保守的使用了各杆件在madis计算模型中杆件交汇处的杆端内力，并将杆端内力通过耦合的点均匀地加载到各杆件的加载面上，通过对比分析，分别取出杆件轴压力最大时荷载组合、轴拉力最大时荷载组合、杆件的弯矩及剪力最大的工况时荷载组合的内力予以验算；d）、选择材料屈服准则，材料屈服准则为vonmises准则；e）、单元类型和网格划分，采用solid95单元，按照智能划分实体单元；f）、应力云图比较分析，分别通过对杆件轴压力最大时荷载组合、轴拉力最大时荷载组合、杆件的弯矩及剪力最大的工况时荷载组合的应力云图及变形云图进行比较，验证铸钢节点的安全性。实施例一、一）、设计依据，参考的规范、规程和标准：1.《钢结构设计规范》（gb50017-2003）；2.《铸钢节点应用技术规程》cecs235:2008；3.建筑结构设计中关于铸钢节点的说明；二）、分析软件及原则，采用有限元软件ansys12.0分析，有限元分析原则如下：1.节点有限元分析采用实体单元；2.复杂应力状态按照vonmises屈服准则判断是否达到屈服；3.有限元计算时作用在节点上的外荷载（构件内力或支座反力）必须满足刚体平衡条件；三）、材料特性：铸钢件材质为：g20mn5qt，热处理状态为调质，经查《铸钢节点应用技术规程》可知，材料弹性模量e=2.06×105mpa，剪变模量g=7.9×104mpa，泊松比µ=0.3，线膨胀系数α=1.2×10-5/℃,质量密度ρ=7.85×103kg/m3，铸钢化学成分表（％）如下表所示：牌号csi≤mnp≤s≤ni≤g20mn50.17～0.230.601.0～1.60.0200.0200.8注：ceq=c+mn/6+（cr+mo+v）/5+（cu+ni）/15（％）；铸钢力学性能如下表所示：牌号厚度屈服强度抗拉强度伸长率（%）抗冲击性能（j）g20mn5qtt≤100300500～650≥22≥27根据cecs235中3.2.1条规定，设计强度取235mpa，计算时铸钢材料特性采用双线性模型，其应力—应变关系为：式中，e为铸钢的弹性模量，为2.06×105mpa，屈服强度取300mpa,，极限抗拉强度取550mpa，进入塑性阶段后，正切模量e1取6100mpa，采用多线性各向同性随动硬化本构关系，如附图4所示；四）、对铸钢节点有限元分析的方法，包括以下操作步骤：a）、建立铸钢节点三维模型，铸钢节点包括主管1，所述的主管1位于下部，主管1的右侧上部从前到后依次设置有分支管a2、分支管b3；主管1与分支管a2、分支管b3设置有弧形过渡管a；主管1的左侧上部从前到后依次设置有分支管d5、分支管c4，主管1与分支管d5、分支管c4之间设置有弧形过渡管b；右侧的分支管a2、分支管b3与左侧的分支管d5、分支管c4之间设置有弧形过渡管c；分支管a2、分支管b3之间设置有弧形过渡圆角a，分支管d5、分支管c4之间设置有弧形过渡圆角b；所述的弧形过渡管a的弧长小于弧形过渡管b的弧长；b）、采用弹塑性有限元分析，考虑到节点连接处应力状况较为复杂，局部可能存在应力集中现象，导致弹性应力过大，采用弹塑性有限元分析符合实际情况；c）、分析荷载，分析时选取一根外弦杆的一个端面施加固定约束，其余端面根据整体结构分析所得节点力施加荷载，为了忽略madis计算模型理想刚度与实际节点刚度的不同可能导致的差异，偏保守的使用了各杆件在madis计算模型中杆件交汇处的杆端内力，并将杆端内力通过耦合的点均匀地加载到各杆件的加载面上，通过对比分析，分别取出杆件轴压力最大时荷载组合glcb15、轴拉力最大时荷载组合glcb8和杆件的弯矩及剪力最大的工况时荷载组合glcb22的内力予以验算；d）、选择材料屈服准则，材料屈服准则为vonmises准则；e）、单元类型和网格划分，采用solid95单元，按照智能划分实体单元；f）、应力云图比较分析，分别通过对杆件轴压力最大时荷载组合、轴拉力最大时荷载组合、杆件的弯矩及剪力最大的工况时荷载组合的应力云图及变形云图进行比较，验证铸钢节点的安全性；1.杆件轴压力最大时荷载组合glcb15，组合工况即1.2dl+0.98l1+1.4t1；内力表如下表所示：计算结果：通过有限元软件ansys12.0得出工况应力云图、工况剖面应力云图、工况变形云图；2.轴拉力最大时荷载组合glcb8，组合工况即1.0dl+1.4w1+0.84t2；内力表如下表所示：计算结果：通过有限元软件ansys12.0得出工况应力云图、工况剖面应力云图、工况变形云图；3.杆件的弯矩及剪力最大的工况时荷载组合glcb22，组合工况即1.2dl+1.4t1+0.84w2内力表如下表所示：计算结果：通过有限元软件ansys12.0得出工况应力云图见附图6、附图7、附图8，工况剖面应力云图见附图9、附图10、附图11；工况变形云图见附图12；通过云图看出，在glcb22组合工况即1.2dl+1.4t1+0.84w2下最大变形6.6mm，节点大部分应力处于100mpa以内，最大应力为204mpa，位于杆件中加劲板肋板区域；五）、结论：运用ansys、abaqus等软件计算铸钢节点在荷载作用下的内力和位移，对铸钢节点与构件连接处、铸钢节点内外表面拐角处等易产生应力集中的部位，按强度条件和刚度条件验算铸钢节点的几何尺寸，得到铸钢节点的构造规则及其合理形式，并可为铸钢节点的试验结果提供对比依据。本发明的上述实施例，仅仅是清楚地说明本发明所做的举例，但不用来限制本发明的保护范围，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由各项权利要求限定。当前第1页12