新型组合节点非线性有限元分析研究心得★

2020-06-05黄雨薇杨亚武彭路远

山西建筑 2020年12期

黄雨薇杨亚武彭路远黄倩王昱

(长安大学建筑工程学院，陕西西安 710018)

1 概述

ABAQUS是一套在设计与工程中都普遍采用的有限元工程模拟软件，在各类线性与非线性数值分析等问题上都有很好的表现[1]。然而，在本科阶段，关于ABAQUS的课程寥寥无几。本文在大创项目的资助下，探讨性的运用ABAQUS进行数值模拟，研究复式钢管混凝土柱—钢梁节点在低周往复荷载作用下的抗震性能，通过自学与老师指导，顺利完成了该项目的主要内容，针对ABAQUS分析过程中的关键问题，提出解决方案，为今后本科生学习ABAQUS软件进行结构工程分析提供一定参考价值。

2 复式钢管混凝土柱—钢梁节点数值模拟流程

ABAQUS软件运行机理实际上是在本科《弹性力学》[2]课程中有涉及的有限元法。在实际结构中，待求的函数结点值很多，因为计算量巨大，所以需要计算机来计算求解。一般先在ABAQUS/CAE中创建模型，然后采用ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit进行模拟计算，最后通过ABAQUS/CAE的可视化模块或其他后处理软件将计算结果导出并进行分析[1]。本文选取张冬芳[3]论文中的复式钢管混凝土柱—钢梁节点模型，节点的模型数据及试验加载数据如图1所示。通过ABAQUS软件各模块创建了该节点的三维实体部件并进行装配、赋予材料性质、剖分网格、创建与试验等效的边界条件并设置荷载，完成了该模型的非线性数值模拟。

3 非线性数值模拟中的关键问题

3.1 网格划分

网格划分主要通过Mesh模块进行，本文模型单元采用Hex六面体单元进行划分，主要涉及3个关键点：1)对于形状较规则的部件直接采用Seed Part撒种子；对于一些特殊部件则采用Seed Edges单独撒种子。2)考虑是否对种子进行约束。本模型中大多数部件采用边种子完全不约束，以便后期生成网格时，ABAQUS能自适应匹配节点和种子，减少畸形网格生成。3)对已经划分网格的部件或实体，修改种子或删除种子，网格也会被清除。网格划分是一个不断改进优化的过程，为节省时间，应保证撒种子的准确性。

在本文建模过程中，对于没有孔洞，如竖向肋板，方钢管等形状较规则的部件，采用Structured(结构化网格划分技术)。对于有孔洞或有曲线边缘，如水平端板、连接板、锚固腹板等带有螺栓孔的部件，采用Sweep(扫掠网格划分技术)且应用Medial axis(中轴算法)。对于直接采用结构化或扫掠网格划分技术难以得到较高质量网格的复杂部件，采用Partition工具对其进行分割处理，得到多个形状较规则的简单区域后，再采用Structured或Sweep技术划分网格。网格划分后的节点模型如图2所示。

3.2 接触关系

装配件各部分之间的相互作用、约束和连接主要通过Interaction模块进行。本模型接触关系复杂，柱身为方钢管嵌套圆钢管的形式，内部浇筑混凝土，外部与钢梁连接。没有连接钢梁的两个面平贴竖向肋板，肋板外伸部分与水平端板焊接。锚固腹板以平行竖向肋板的方向焊在内外钢管间，通过连接板用螺栓与钢梁腹板连接。螺栓和钢材需要焊接的部分均采用“tie”连接。钢材和混凝土之间的接触关系考虑为：接触界面法向没有间隙，平行界面方向上是否存在滑移。在法向上，认为可以完全传递垂直接触面的压力，采用“hard contact”来模拟。在切向上，二者接触面间存在相互摩擦，根据以往的研究，采用库仑摩擦定律模拟。

3.3 设置边界条件、施加荷载

组合节点模型的边界条件主要是通过Load模块模拟的。参考试验边界条件和加载制度(见图1c))，在东西梁端和柱顶分别设置耦合截面施加荷载(见图3)，其中往复荷载采用幅值函数以位移严格控制。螺栓预紧力采用connector load模拟，connector displacement创建固定位置，预紧力施加在与螺栓杆接触的截面上，经过多次试算与试验结果对比，最终确定了合适的预紧力，如图4所示。