基于模型迭代修正的法兰连接节点分析方法与流程

本发明涉及计算机辅助设计技术领域，特别涉及基于模型迭代修正的法兰连接节点分析方法。

背景技术：

法兰连接是钢结构梁柱、立柱与基础连接的常见形式。法兰连接节点传统分析方法常借助静力平衡原理，建立两个平衡方程进行求解，分别是受拉区螺栓拉力与受压区法兰板压应力的合力平衡方程，螺栓拉力、法兰板压应力的合力对法兰板中性轴力矩平衡方程。

但是在实际应用中，求解方程过程中，需满足两个假定条件：

1、假定中性轴的位置；2、假定法兰板为刚性板(即自身不发生变形)。

对于条件1，由于中性轴的位置与法兰板压应力分布直接相关，人为假定的位置所得到的分析结果不符合实际情况；

而对于条件2，法兰板本身的内部变形是存在的，也会影响法兰板压应力分布，进而影响螺栓拉力。

除此以外，传统分析方法还具有以下局限性：一般仅适用于圆形法兰，对于矩形法兰或其他形状法兰，外力的合力不与几何对称轴平行或正交时，求解变得异常复杂。

而随着计算机和人工智能系统的应用，采用计算机辅助分析和处理繁琐的数据已经是大势所趋。

因此，如何利用计算机实现法兰连接节点分析，减少错误、提高分析精度和工作效率成为本领域技术人员急需解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供基于模型迭代修正的法兰连接节点分析方法，实现的目的是利用计算机系统，以传统分析方法对比验证、以厚板模型趋势验证，从而得到正确的边界模拟条件，可以得到比较理想的分析结果，进一步可推广运用于各种形状的法兰节点分析。

为实现上述目的，本发明公开了基于模型迭代修正的法兰连接节点分析方法；步骤如下：

步骤一、按照待分析的法兰的连接节点的实际尺寸建立第一组三维模型；

所述第一组三维模型为上下双层法兰板网格模型；

所述第一组三维模型按实际位置建立螺栓连接；

所述第一组三维模型中与法兰板连接的梁或柱以法兰中心点代替；所述中心点与法兰刚性连接；

所述第一组三维模型的双层法兰板间定义只受压刚度模拟双层法兰的接触，所述双层法兰板中的上层法兰板在中心点上施加外力，所述双层法兰板中的下层法兰板中心点全固定约束；

步骤二、将所述第一组三维模型中的所述下层法兰网格节点采用全固定约束，形成第二组三维模型；

步骤三、将所述第二组三维模型中的法兰板厚度取为1米，形成第三组三维模型；

步骤四、在所述第一组三维模型、所述第二组三维模型和所述第三组三维模型输入通用有限元程序进行数值分析法试算求解，获得所述第一组三维模型、所述第二组三维模型和所述第三组三维模型的受拉区螺栓拉力分布、受压区螺栓压力分布和受压区法兰板反力分布；

步骤五、钝化所述第一组三维模型、所述第二组三维模型和所述第三组三维模型的所述受压区螺栓压力分布重新求解，在所述受压区螺栓压力重分布后，获得的钝化后的分析结果，包括所述第一组三维模型、所述第二组三维模型和所述第三组三维模型的钝化后受拉区螺栓拉力分布和下层法兰反力分布；

步骤六、判断所述步骤五中所述钝化后受拉区螺栓拉力分布和所述下层法兰反力分布否存在螺栓受压的情况；若存在，则重复执行步骤五；

否则，输出所述第一组三维模型、所述第二组三维模型和所述第三组三维模型的的所述螺栓拉力和所述下层法兰反力分布；所述第一组三维模型、所述第二组三维模型和所述第三组三维模型的中性轴位于法兰板中部；所述第一组三维模型和所述第二组三维模型的下层法兰反力最大值位于内环边缘，所述第三组三维模型的下层法兰反力最大值位于外边缘；

步骤七、采用静力平衡法求解所述待分析的法兰，在求解过程中假定法兰板反力中性轴，即反力为0的轴线，沿梁或柱的边线或切线方向延伸；获得静力平衡法分析结果；所述静力平衡法分析结果包括所述待分析的法兰受拉区螺栓拉力、所述待分析的法兰反力分布，所述待分析的法兰反力最大值位于外边缘、所述待分析的法兰中性轴为假定轴线；

步骤八、将所述步骤七中的所述静力平衡法分析结果与所述第一组三维模型、所述第二组三维模型和所述第三组三维模型钝化后的分析结果，即反力分布，进行对比验证；若所述反力分布趋势一致，则表示静力平衡法是以刚性板为前提；若所述静力平衡法关于中性轴位置的假定与所述第三组三维模型数值分析结果有偏差；则表示所述静力平衡法存在局限性；且所述第三组三维模型刚性板假定与实际亦不符；

步骤九、根据步骤六的分析结果，所述第一组三维模型、所述第二组三维模型和所述第三组三维模型的所述下层法兰反力最大值位于内环边缘，由于外荷载是施工加于法兰中心点处，法兰中心点与内环边缘节点刚性连接，内环边缘对外荷载的反作用最大，所述第一组三维模型、所述第二组三维模型和所述第三组三维模型的分析结果趋势与实际相符；

步骤十、所述第一组三维模型、所述第二组三维模型和所述第三组三维模型的拉压力区在模型迭代修正过程中多次重分布，其分析结果与所述静力平衡法相比，压力分布区域增大，受拉螺栓数量减少，受拉螺栓所承担的拉力增大；

步骤十一、所述第一组三维模型下层法兰中心点固定约束，用于分析梁柱连接法兰；所述第二组三维模型下层法兰节点全固定约束，用于分析立柱柱脚法兰。

优选的，所述外力包括水平力、竖向力或弯矩。

本发明的有益效果：

本发明利用计算机系统，以传统分析方法对比验证、以厚板模型趋势验证，从而得到正确的边界模拟条件，可以得到比较理想的分析结果，进一步可推广运用于各种形状的法兰节点分析。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1示出本发明一实施例的流程图。

图2示出本发明一实施例中平面法兰结构示意图。

图3示出本发明一实施例中梁柱连接法兰结构示意图。

图4示出本发明一实施例中立柱柱脚法兰结构示意图。

图5示出本发明一实施例中第一组三维模型的示意图。

图6示出本发明一实施例中第一组三维模型的上法兰板中心点连接状态示意图。

图7示出本发明一实施例中第一组三维模型的下法兰板中心点连接状态示意图。

图8示出本发明一实施例中第一组三维模型的上法兰板中心外力施加状态示意图。

图9示出本发明一实施例中第一组三维模型的双层法兰板间只受压刚度约束状态示意图。

图10示出本发明一实施例中第二组三维模型的结构示意图。

图11示出本发明一实施例中静力平衡法螺栓拉力及压应力分布状态示意图。

图12示出本发明一实施例中第三组三维模型的反力分布状态示意图。

图13示出本发明一实施例中第三组三维模型的压应力分布状态示意图。

图14示出本发明一实施例中第二组三维模型的反力分布状态示意图。

图15示出本发明一实施例中第二组三维模型钝化受压区螺栓后的反力分布状态示意图。

图16示出本发明一实施例中矩形梁柱连接法兰的三维模型示意图。

图17示出本发明一实施例中矩形立柱柱脚法兰的三维模型示意图。

具体实施方式

实施例

以《公路交通标志和标线设置手册》(2009年8月版)(以下简称“手册”)8.4.2悬臂式标志结构设计计算(第200页)作为示例进行分析示范。直径400mm的法兰盘，双层法兰板厚20mm，8m24螺栓连接，如图2至图4所示。

采用如图1所示的流程，首先如图5所示，按第一组三维模型建立模型。上下法兰板中心点与法兰刚性连接，如图6和图7所示；下法兰中心点固约束如图7；上法兰中心点施加外力如图8(fx＝8.3kn,fy＝2.4kn,mx＝6.1kn·m,my＝23.1kn·m)；双层法兰间只受压刚度约束(刚度k＝100000kn/m)，如图9。

如图9和图10所示，按第二组三维模型建立模型，下法兰节点全固定约束。

第三组三维模型同图9，上法兰板厚改为1m。

根据“手册”，按静力平衡法，螺栓拉力及压应力分布如图11所示；距离中性轴最远的螺栓，承受最大螺栓拉力tmax＝26.9kn，最大压应力σmax＝9.5mpa。

第三组三维模型的反力分布如图12所示，中性轴偏向受拉侧，与静力平衡法的假定中性轴位置偏差较大，而最大压应力位于受压区边缘，与静力平衡法趋势一致，换算得最大压应力σmax＝4.6mpa(图12)。

第三组三维模型因受压区域范围大，受拉螺栓数量少，最大螺栓拉力tmax＝48kn，远大于静力平衡法结果26.9kn。通过第三组三维模型结果验证了静力平衡法的局限性；因第三组三维模型假定法兰板厚1m，也不符合实际。

第二组三维模型的反力分布如图14所示，法兰板按实际厚度建模，考虑了法兰板自身变形，中性轴偏向受压侧，最大螺栓拉力tmax＝35.7kn，最大压应力位于压力区法兰内圈处。

进一步，钝化第二组三维模型受压螺栓，再求解，反力分布如图15；与图14相比，仅受压区反力重分布，所得最大螺栓拉力变化很小。

进一步，钝化第二组三维模型受压螺栓，再求解，反力分布如图15；与图14相比，仅受压区反力重分布，所得最大螺栓拉力变化很小。第二组三维模型下法兰节点全固定，因此第二组三维模型适用立柱柱脚法兰分析；而第一组三维模型为第二组三维模型的原始模型，适用于梁柱连接法兰分析。

上述第一组三维模型和第二组三维模型按圆形法兰建模分析的情形，推广到其他形状的法兰，也可参照上述方式分析，如图15、图16。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。