中国动漫馆节点有限元分析

金绍武，李 红，胡帅军，王仪政

中国动漫馆节点有限元分析

金绍武，李 红，胡帅军，王仪政

（湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉430068）

以中国动漫馆为例，利用Sap2000的计算结果，将节点处各杆端力作为荷载加于节点进行有限元分析计算。使用ANSYS对本工程关键部位节点进行最不利工况下的强度验算，以保证工程的安全可靠。

中国动漫馆；节点；ANSYS

1 工程概况

中国动漫博物馆位于浙江省杭州市白马湖畔，总建筑面积约为30382m2。本项目建筑主体最高点距地面44.50m，一层采用钢板剪力墙结构，二层及以上采用钢板剪力墙＋跨层桁架结构。建筑最大平面尺寸为152m×63m，地上六层，局部设夹层与地下室（图1）。

图1 中国动漫馆上部结构模型三维视图

2 分析计算软件

根据Sap2000里导出的杆件截面尺寸和相对几何关系的线框模型，采用CAD软件完成铸钢节点的CAD模型设计。通过ANSYS自带接口，将几何模型从CAD软件中导入到ANSYS分析软件［1］。

3 节点有限元分析

有限元模型单元选取实体单元SOLID187的10节点高阶单元，取单元大小为15mm，为铸钢节点中钢管最小壁厚30mm的1／2。对不同网格尺寸及单元类型试算结果表明，计算结果精度满足工程需要。模型节点总计约181万，单元总计约122万。材料的弹性模量E和泊松比ν分别取为2.06× 105MPa和0.3，材料模型采用理想弹塑性模型，铸钢型号选用G20Mn5N，强度设计值f＝235N／mm2。

图2铸钢节点各杆件编号示意分图

图3节点网格划

根据Sap2000计算结果，铸钢节点（图2、图3）各工况下内力以轴力为主，剪力及弯矩相对较小，因此取主管（编号3754）轴力最大工况进行计算。为了真实的模拟节点的实际受力边界，对节点最粗支管（编号3754）下端面进行刚性约束。在加载的过程中值得注意的是，从Sap2000导出的是单元内力，在ANSYS中通过在各杆件端面建立局部坐标系，并旋转节点坐标系至局部坐标系，使其与Sap2000单元坐标系重合［2］。节点各杆端面内力见表1所示。节点分析结果见图4。

图4 von Mises等效应力云图

表1 最大支管（编号3754）轴力最大工况内力

4 结论

通过上述分析计算，得出以下结论：

1）由铸钢节点等效应力图可知，最大等效应力约为493MPa，但此区域范围较小，且主要是由于对最粗支管（编号3754）下端面进行刚性约束引起的。这种由于人为约束的边界条件带来的节点远端较大应力分布可以不予考虑［3］。

2）由铸钢节点附近的von Mises等效应力云图可知，在节点附近（图中标有MX处），最大等效应力约为247MPa。筛选出应力值超过235MPa（强度设计值）的有限元节点，等效应力在235～247MPa范围内的共有5个（表2）。1.2），因此，节点在上述荷载工况作用下最大等效应力247MPa小于调整后的应力限值282MPa，故综合来看节点强度满足设计要求。

3）在建模及计算过程中发现，模型各部分（包括倒角）的尺寸、角度等，对计算结果有较大影响，如果处理不好，可能会出现局部应力集中现象。这种应力集中有的可能是由于数值求解异常方面引起的，也有的可能是由于倒角或平面不够光滑引起的真实的应力集中。因此，在指导节点加工时，应严格控制模型各部分（包括倒角）的尺寸、角度及表面光洁度，所加工的形状与设计提供的模型相一致，并按照相关标准的相应要求，保证铸钢节点的加工质量［4］。

表2 应力值超过强度设计值的节点编号及应力

由表2可知，各主应力均为压应力，这些部位可发展较大塑形变形而不破坏，强度设计值可以调整为1.2×235＝282MPa（按《铸钢节点应用技术规程》（CECS 235：2008）中4.2.4条及条文说明规定，β取

［1］ 童乐为，孙建东，王斌，等.空间KK形圆管搭接节点静力性能试验研究与有限元分析［J］.建筑结构学报，2013（2）：91－98.

［2］ 聂建国，秦凯，肖岩.方钢管混凝土柱节点的试验研究及非线性有限元分析［J］.工程力学，2006（23）：99－109.

［3］ 陈敏，邢栋，赵阳，等.世博轴阳光谷钢结构节点试验研究及有限元分析［J］.建筑结构学报，2010（5）：34－41.

［4］ 邢丽，赵阳，董石麟，等.矩形钢管焊接空心球节点承载能力的有限元分析与试验研究［J］.浙江大学学报：工学版，2006，40（9）：1559－1563.

The Finite Element Analysis of the Joint of Chinese Animation Museum

JIN Shaowu，LI Hong，HU Shuaijun，WANG Yizheng
（School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

This paper takes the Chinese Animation Museum as an example.Based on the calculation result by using Sap2000，this paper carries out the finite element analysis and calculation of the node load on the rod end force as nodes.ANSYS is used to check and calculate the strength of the key node positions of the project，to ensure the safety and reliability of engineering.

Chinese Animation Museum；joint；ANSYS

TU311.41

A

［责任编校：张岩芳］

1003－4684（2017）04－0119－02

2016－06－28

金绍武（1992－），男，湖北襄阳人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为道路与桥梁工程