張海風(fēng)

（河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引言

在結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算中，有限元軟件模擬計(jì)算方法已成為一種應(yīng)用廣泛并且方便高效的數(shù)值分析方法[1]。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于種種條件限制，很多借助于軟件的模擬分析，沒有與之對應(yīng)的試驗(yàn)做參照驗(yàn)證，這樣無法知道在計(jì)算機(jī)模擬過程中的數(shù)據(jù)輸入、單元選擇與劃分、材料屬性定義、約束與荷載的施加以及模擬方法和思路等是否正確。為了保證計(jì)算機(jī)軟件模擬的精度和可靠性，可以進(jìn)行可靠性試驗(yàn)算例驗(yàn)證，即選擇權(quán)威學(xué)者公開發(fā)表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用選擇的計(jì)算機(jī)軟件模擬方法進(jìn)行模擬，模擬的結(jié)果與公開發(fā)表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如果分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相似度較高，相差較小，則證明采用的模擬方法具有較高的精度和可靠性，則可以用所采用的模擬方法進(jìn)行后續(xù)或者所需的模擬計(jì)算分析。關(guān)于試驗(yàn)選擇，應(yīng)盡量選取與模擬模型相同或相似的試驗(yàn)。

本文以利用ANSYS有限元軟件模擬T型鋼管節(jié)點(diǎn)滯回性能的研究為例，對已有T型鋼管節(jié)點(diǎn)滯回性能的試驗(yàn)進(jìn)行模擬，對比模擬得到的數(shù)據(jù)曲線和參照試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)曲線，驗(yàn)證利用ANSYS軟件采取有限元模擬方法的可靠性。

1 參照試驗(yàn)選擇

1.1 試驗(yàn)介紹

選擇重慶大學(xué)學(xué)報(bào)所發(fā)表的何遠(yuǎn)賓研究的T型節(jié)點(diǎn)滯回性能試驗(yàn)做參照[2]，將ANSYS軟件模擬得到的滯回曲線與試驗(yàn)得到的滯回曲線做對比，驗(yàn)證本模擬方法的可靠性。

該試驗(yàn)選用鋼管T型節(jié)點(diǎn)，試件的反復(fù)荷載加載裝置為2臺50T的MTS液壓千斤頂，荷載采用軸向加載，施加于直向支管的一端，主管一端只限制三個(gè)方向的位移但可以轉(zhuǎn)動(dòng)，由2個(gè)地錨螺栓前后固定在地槽上，為防止主管發(fā)生傾斜，用和主管尺寸大小一樣的管件一端連接主管，另一端固定在反力墻上，同樣不限制上端連接處的轉(zhuǎn)動(dòng)自由。主管的直徑大小為219mm、長度是2030mm，鋼管厚度為5.7mm，支管直徑、壁厚和長度（到主管中心）分別為102mm、4.03mm 和1020mm。節(jié)點(diǎn)試件安裝圖見圖1。本試驗(yàn)選用位移控制的加載方式如圖2，即每循環(huán)加載一次使構(gòu)件達(dá)到設(shè)定的位移值為準(zhǔn)。

圖1 節(jié)點(diǎn)試件安裝圖

圖2 位移控制加載過程

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)滯回曲線為位移和荷載的關(guān)系圖，x軸為位移值，y軸為荷載值，描點(diǎn)即可得到滯回曲線，其中荷載值由專業(yè)電子測量儀器讀出,位移值由加于桿端的位移計(jì)測量讀出，得到滯回曲線，見圖3。

圖3 試驗(yàn)測得滯回曲線

2 ANSYS有限元模擬

2.1 創(chuàng)建幾何模型

幾何模型的創(chuàng)建方法較多，可在ANSYS中直接建模，也可先在繪圖軟件中建立三維模型再導(dǎo)入到ANSYS中?？紤]到參照試驗(yàn)的幾何數(shù)據(jù)，若采用直接在ANSYS中建模的辦法較為繁瑣，所以本文選擇在AutoCAD軟件中采用三維建模，保存為sat格式，然后導(dǎo)入到ANSYS中。

2.2 選擇計(jì)算單元

ANSYS中有豐富多樣的計(jì)算單元可供選用，其中桿單元主要用于桿件，梁單元主要用于梁構(gòu)件，殼單元主要用于厚度較薄的構(gòu)件如鋼管，除此之外，還有最為常用的實(shí)體單元[3]。本文的計(jì)算模型均為壁厚較薄的鋼管，相當(dāng)于一個(gè)薄壁結(jié)構(gòu)，所以既可以選用實(shí)體單元，也可以選用板殼單元，但通過兩種單元的計(jì)算對比發(fā)現(xiàn)：實(shí)體單元很難穩(wěn)定收斂到某一個(gè)解，但是板殼單元很快就能夠穩(wěn)定收斂到一個(gè)解。因此如果選用實(shí)體單元，網(wǎng)格需要?jiǎng)澐值米銐蚓?xì)，導(dǎo)致計(jì)算量過大，而計(jì)算量過大又會(huì)導(dǎo)致誤差累計(jì)的問題，使計(jì)算結(jié)果偏差較大。因此，本計(jì)算模型選用板殼單元。

板殼單元也有多種，如果厚度較薄或至中等的殼結(jié)構(gòu)都適用于SHELL181單元，而且該單元不僅可以考慮線性問題，也可以解決非線性大應(yīng)變的問題，均布壓力也可考慮進(jìn)去。

在SHELL181單元內(nèi)默認(rèn)為厚度是均勻變化的，如果該單元處厚度相等，只需要在一個(gè)節(jié)點(diǎn)輸入厚度值即可。如果該單元的厚度不同，那么在不同節(jié)點(diǎn)處輸入不同厚度即可。考慮到本計(jì)算模型的特征，選用SHELL181單元。

2.3 理想化多線性模型的建立

由于本模型所模擬的加載過程是正反兩向反復(fù)循環(huán)加載變形，存在反向塑性變形的問題，所以應(yīng)考慮包辛格效應(yīng)。包辛格在金屬材料的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)對金屬正向加載時(shí)，金屬材料會(huì)出現(xiàn)塑性應(yīng)變強(qiáng)化的現(xiàn)象，但是在反向加載過程中又會(huì)出現(xiàn)塑性應(yīng)變?nèi)趸颓O限變小的現(xiàn)象。

ANSYS通過所用的強(qiáng)化準(zhǔn)則把包辛格效應(yīng)的影響施加到模型上，主要有隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則和等向強(qiáng)化準(zhǔn)則兩種準(zhǔn)則，對規(guī)定屈服面進(jìn)行矯正。隨動(dòng)強(qiáng)化的屈服面在沿屈服方向的平移過程中面積大小保持不變。等向強(qiáng)化屈服面在平移過程中面積隨塑性流動(dòng)在各個(gè)方向均勻擴(kuò)大。對于小應(yīng)變低周循環(huán)荷載，大多數(shù)材料符合隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則的變化規(guī)律。所以本模型選用隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則。對于隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則，ANSYS支持雙線性、多線性和非線性三種不同的曲線形式，本文選用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型。在ANSYS中，多線性隨動(dòng)強(qiáng)化常用的有MKIN（固定表）和KINH（通用表）兩個(gè)類型，均對金屬的小應(yīng)變塑性分析有效且符合Mise屈服準(zhǔn)則。本文選用通用表通過輸入應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)點(diǎn)來定義應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線是由鋼材的單向拉伸試驗(yàn)描點(diǎn)得到。該曲線精確地表達(dá)了鋼材的應(yīng)力和應(yīng)變的一一對應(yīng)關(guān)系，但將該曲線完美輸入到有限元軟件較為困難，因?yàn)樵撉€直線段較少，大多為曲線段，通過描點(diǎn)工作和輸入點(diǎn)坐標(biāo)將此曲線嵌入多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型中，需要很大的工作量。但本計(jì)算模型需要Q345結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，而且是多線性模型，因此把鋼材靜力作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，簡化為理想化的多線性模型：屈服強(qiáng)度為345MPa，抗拉強(qiáng)度為550MPa，彈性模量為EX=2.06E11，泊松比PRX=0.3，強(qiáng)化階段屈服極限和強(qiáng)度極限之間的斜率即切線模量取為彈性模量的1%，即2.06E9。

2.4 定義單元常數(shù)

本節(jié)點(diǎn)模型采用SHELL181單元，由于圓鋼管厚度均勻，故在real constant對話框中四個(gè)節(jié)點(diǎn)處輸入統(tǒng)一的厚度即可。但由于鋼管節(jié)點(diǎn)的主管與支管厚度不同，所以要定義兩組單元常數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對主管和支管設(shè)置不同的厚度。

2.5 劃分單元

網(wǎng)格劃分方式有多種，其中自由劃分最方便易行，但由于其劃分的單元很不規(guī)則，其計(jì)算效果和精度很差。比較好的劃分方法是面映射劃分和體映射劃分，由于本模型選取殼單元，所以選用適用于殼單元的面映射劃分，而體映射劃分主要適用于solid實(shí)體單元。網(wǎng)格劃分時(shí)可以手動(dòng)設(shè)定劃分精度的大小，如對一條線進(jìn)行多少等分或每一等分的長度是多少，對一個(gè)面進(jìn)行多少等分，或每一個(gè)等分面的面積大小是多少。由于單元?jiǎng)澐值拇笮∨c最后的計(jì)算精度有著直接的聯(lián)系，對一個(gè)單元具體劃分為多大要根據(jù)實(shí)際情況來確定。劃分越是精細(xì)，計(jì)算結(jié)果也越精準(zhǔn)，但是計(jì)算量也會(huì)隨之增多。沒有必要在受力影響較小的部位網(wǎng)格劃分過小，但在構(gòu)件的主要受力部位或主要研究部位需要對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，以達(dá)到計(jì)算量與計(jì)算精度的最好平衡。

對T型鋼管節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格劃分采用面映射劃分網(wǎng)格和自由劃分網(wǎng)格相結(jié)合的方式。由于相貫節(jié)點(diǎn)附近形狀較為復(fù)雜，采用自由劃分的方式，遠(yuǎn)離相貫節(jié)點(diǎn)的區(qū)域采用映射劃分網(wǎng)格的方式。T型相貫節(jié)點(diǎn)主要受力區(qū)域在鋼管相交區(qū)域，為使分析結(jié)果更為精確，對相交區(qū)域附近網(wǎng)格進(jìn)行加密[4]。

2.6 施加約束及荷載

對相貫節(jié)點(diǎn)主管兩端施加三個(gè)方向的全部約束，支管一端為自由端，在支管端施加平行支管方向的位移荷載，施加位移荷載時(shí)，在支管端部建立剛域，使該域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的自由度耦合到該域中間一點(diǎn)即支管端部的圓心，荷載直接施加在該點(diǎn)即可[5]。

2.7 模擬結(jié)果

采用有限元數(shù)值模擬得到的滯回曲線見圖4所示。

圖4 軟件模擬得到的滯回曲線

3 結(jié)束語

通過對比采用有限元數(shù)值模擬和試驗(yàn)得到的滯回曲線可以看出，數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，曲線飽滿度和承載力相差較小。有限元得到的滯回曲線更加規(guī)律和飽滿，這應(yīng)該是由于有限元軟件模擬沒有考慮焊縫以及殘余應(yīng)力的影響。模擬得到的承載力極限值略低于試驗(yàn)結(jié)果，這應(yīng)該是由于試驗(yàn)的約束力邊界條件比有限元模擬分析強(qiáng)造成的。驗(yàn)證了本文所采用的有限元數(shù)值模擬方法的適用性和可靠性，可以用所采用的模擬方法進(jìn)行后續(xù)或者所需的模擬計(jì)算分析。