王炳軍 黨 彥
(1.山東科技大學<土木工程與建筑學院>,山東 青島 266590;2.青島濱海學院<建筑工程學院>,山東 青島 266555)
按照材料的不同,工程結構可劃分為混凝土結構、砌體結構、鋼結構、木結構等。鋼結構是由型鋼或鋼板經焊接或螺栓連接制成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等基本構件組成的工程結構。由于鋼材具有良好的塑性和韌性,以及輕質高強的特點,鋼結構在土木、水利、港航等領域得到了愈來愈廣泛的應用,也成了目前重點推廣和應用的結構形式。
鋼結構基本原理是高校土木工程專業(yè)的專業(yè)核心課,其基本內容為連接以及鋼梁、鋼柱、鋼桁架等基本構件的設計原理,其特點是理論性、綜合性及實踐性強。由于鋼材輕質高強的特點,其鋼柱或鋼梁的橫截面截面為薄板組成的工字形或T形截面,這種單薄的截面和細長的構件決定了鋼結構構件最容易發(fā)生失穩(wěn)破壞而不是強度破壞,即鋼結構構件的核心問題是穩(wěn)定問題。穩(wěn)定性問題是鋼結構教學中的重點和難點問題,其概念抽象,公式復雜[1-2]。
鋼結構形式在工程建設中的廣泛應用與迅速發(fā)展,對高校鋼結構課程教學及人才培養(yǎng)提出了更高的要求[3]。多年的教學實踐表明,對于抽象復雜的鋼結構穩(wěn)定問題,單純采用理論講解和公式推導的傳統(tǒng)課堂教學模式,造成大多數學生難以領會和接受而難以達到理想的授課效果。鑒于此,探索新的穩(wěn)定問題教學方法,使學生從傳統(tǒng)的被動接受轉變到主動積極參與,是鋼結構穩(wěn)定問題教學改革的當務之急[4-5]。
隨著電子科技和信息技術的飛速發(fā)展,虛擬仿真技術被越來越廣泛地應用到課程教學中[6-7]。虛擬仿真技術能將晦澀難懂的知識點直觀地展現給學生,同時能實現學生主動參與,避免了課堂教學學生只能被動接受的模式。
眾所周知,ANSYS與ABAQUS是目前在土木工程領域交流流行的大型通用有限元仿真分析軟件。通過有限元虛擬仿真,能將抽象的問題直觀化,以及完美展現構件失穩(wěn)破壞過程。鑒于此,本文擬探索如何利用有限元軟件ABAQUS對鋼結構構件穩(wěn)定性問題進行虛擬仿真教學。
以軸心受壓構件即鋼柱為例。按照是否有平衡分枝現象,軸心受壓構件的整體穩(wěn)定問題分為兩類。第一類穩(wěn)定問題為存在平衡分枝的理想軸心壓桿穩(wěn)定問題,所謂平衡分枝指的是壓桿平衡從直線平衡隨荷載增大變?yōu)槲澠胶?,其失穩(wěn)臨界力可由解析方法計算,即歐拉公式;第二類穩(wěn)定問題為無平衡分枝的實際軸心受壓構件穩(wěn)定問題,即無直線平衡狀態(tài),隨荷載增大,變形由小到大,直至失穩(wěn)破壞,其穩(wěn)定承載力可按最大強度準則確定。
在有限元軟件中,與這兩類穩(wěn)定問題相對應的模塊分別是特征值屈曲分析和非線性屈曲分析。通過特征值屈曲分析可以得到失穩(wěn)臨界荷載系數,失穩(wěn)臨界荷載系數乘以柱頂所施加的荷載即為失穩(wěn)臨界力。非線性屈曲分析可得到荷載位移曲線,根據荷載位移曲線,可得到實際軸心受壓構件失穩(wěn)破壞時的最大荷載。
考慮到本科階段學生對有限元軟件操作比較陌生,首先在課堂上詳細講解軸心受壓構件整體穩(wěn)定彈性屈曲相關理論、公式推導等,然后講解有限元仿真模擬詳細過程,并在課堂上結合ABAQUS軟件講解操作過程及各符合的含義。
軸心受壓構件橫截面形式如圖1所示,柱高4.2 m,翼緣板厚度為10 mm,腹板厚度為6 mm。
圖1 柱橫截面(單位:m)
(1)模型前處理可通過ABAQUS自帶的CAE實現。對于CAE操作有困難的學生,也可通過事先封裝好的Python參數化語言實現建模,如下所示。
#基本參數
myModel=mdb.models[’Model-Pile’]
mySketch=myModel.ConstrainedSketch
(name=’Zhuprofile’,sheetSize=1.0)
#截面繪制
mySketch.Line(point1=(-0.11,0.1),point2=(0.11,0.1))
mySketch.Line(point1=(0.0,0.1),point2=(0.0,-0.1))
mySketch.Line(point1=(-0.11,-0.1),point2=(0.11,-0.1))
#拉伸部件
myPart=myModel.Part(name=’Zhu’,dimensionality=
THREE_D,type=DEFORMABLE_BODY)
myPart.BaseShellExtrude(sketch=mySketch,depth=4.2)
(2)建模完成后,對該部件進行裝配,裝配后軸心受壓柱模型如圖2所示。
圖2 軸心受壓柱模型
(3)裝配完成后,定義材料屬性,選擇elastic彈性,質量密度7 850 kg/m3,彈性模量200 GPa,泊松比0.3。通過創(chuàng)建截面屬性將定義的材料賦予給幾何部件。
(4)創(chuàng)建邊界條件,兩端邊界條件均為鉸支,即柱頂限制X,Y位移,柱底限制X,Y,Z方向位移。邊界條件建立后,柱頂施加殼邊緣法向荷載,荷載大小可取單位荷載1 kN。
(5)邊界條件和邊緣荷載施加后,對幾何部件劃分網格如圖3所示。然后創(chuàng)建分析任務,提交分析作業(yè)。
圖3 單元網格
(6)后處理。一階和二階模態(tài)位移云圖如圖4和圖5所示,特征值變化曲線如圖6所示。
圖4 一階位移云圖
圖5 二階位移云圖
圖6 特征值變化曲線
對于理論復雜概念抽象的鋼柱整體穩(wěn)定這一教學難點,借助ABAQUS軟件進行輔助教學進行了探索。通過ABAQUS有限元仿真,將抽線的整體問題可視化,同時能實現學生主動參與到穩(wěn)定問題的學習中來,從而可以加深學生對鋼結構穩(wěn)定問題的認知和理解,同時也增強了學生的動手能力,提高了學生的科學素養(yǎng)和科技創(chuàng)新能力,最終達到提高鋼結構課程授課質量的目的。