基于ABAQUS的焊接结构力学行为有限元分析

詹友金

（福建商学院信息工程学院 福建福州 350506）

连跨型网架结构具有良好建设周期短、结构质量轻以及造价便宜等特点，在农业、工业以及建造业得到良好的工程应用[1]。尤其是作为塑料大棚的支持结构件，通过节点连接而成的一种空间杆系结构，其外形呈曲面状为网壳，呈平板状的为网架结构[2]。区别于一般的网架结构，连跨型网架结构跨度较大，由于外部环境因素（例如暴雨、暴雪、大风等天气）和内部因素（例如负载过重、跨度过大等）的影响导致容易出现坍塌事故发生[3,4]。所以，在设计连跨型网架结构过程中更加需要进行考虑结构材料的抗压能力和结构的负载能力。在本文采用非线性数值分析软件ABAQUS对焊接成形的连跨型网架结构进行受力分析，进行自重环境因素影响下焊接结构的非线性承载能力分析。在形式众多的复杂结构中，通过焊接结构件的承载能力计算对提高结构件可靠性具有重要工程实际效果和良好经济意义。

一、实验方法与设计目标

（一）有限元分析法。本文网架结构是由Q235B钢管焊接形成。网架结构的成形方式为型材焊接。网架结构的设计与成形焊接都是直接涉及到结构安全性的问题。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题之后再进行求解[5]。本文对Q235B塑性变形焊接一次成形进行工艺设计，考虑其塑性变形回弹量对焊接结构成形性的影响。通过CAD对焊接的L型网架结构进行设计。采用非线性数值分析软件ABAQUS对焊接成形的连跨型网架结构进行受力分析。分析环境因素影响下焊接结构的非线性承载能力。有限元求解问题的基本步骤通常为：有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，以便用户能简便提取信息，了解计算结果[6]。

（二）拉伸试验。使用CSS-88000电子试验机上进行单轴拉伸试验，获得本文试验用Q235B的基本力学性能，试验机选择：由于试验机的最大试验力超出太多则试验不准确，小试样用大吨位试验机引起较大的试验数据误差，且试验力应为试验机最大试验力的70%-80%时因此计算试验力为：预估断裂应力（MPa）×(试样截面积（mm2）)=试验力（N），因此本文选用拉伸试验的试验机最大试验力为1吨。根据试验标准GB228-2002中关于薄板拉伸试样的制备标准尺寸制备拉伸试验试样。

（三）钢结构大棚成形工艺设计。网架结构采用三纵两卡结构，利用顶部至底部的落差，提高结构的抗风雪能力和抗振动能力，提高材料的再利用率。其主体结构为6米采用3个圆拱串联安装。要求钢结构使用寿命达15年左右。根据要求设计出6米钢结构网架结构主体结构及串联方案如下图1。

图1 六米钢结构网架结构串联方案

（四）模型装配与网格划分。

1.装配。将建好的二维网架简化模型导入进入到Assembly模块中进行装配。然后在ABAQUS的Assembly功能模块、Load功能模块和Interaction功能模块中定义各个实体间的相互位置关系。

2.网格划分。网格的选取及种子分布：可以在Mesh功能模块选择单元形状，使用virtual topology来合并小的边或小的面，也可以忽略某些边或者某些顶点。然后通过Seed Part Instance按钮，把各段单元选中，确定好各单元之间的距离，最后完成网格划分。

3.加载荷。在Lode模块中，输入载荷值大约为0.6Mpa对模型进行加载荷处理。

二、结果分析

（一）简化模型建立。在有限元建模时，应该对实际模型进行简化处理，以达到在完成分析目的的同时，极大地降低分析过程的难度和工作量。为节约计算空间，提高计算效率对模型进行如下简化：

1.二维线代替实体管：L型网架结构是直线型实体钢管焊接而成，考虑到模型建立的简便，将实体管用线来代替，对模型的受力及分析不会造成影响。

2.直线代替弧线：建立模型时是自下而上的建模方式，点到线，为了使得单元选择简单，将模型外圆弧用小段直线连接近似代替圆弧。

3.单元简化：选择管单元作为处理单元，其横截面为圆形，代替Q235B型钢管椭圆形截面，但保持横截面积不变。

4.计算模型的简化：选择代表受载单元建立有限元模型，结果如图2所示。

图2 二维简化模型

（二）钢结构静力学分析。

如图3所示，通过钢结构的拉伸试验，钢材Q235B的应变随着应力的增大的增大，当应力达到0.453时，钢材断裂。同时，通过有限元模型的简化和建立过程以及建好模型后确定材料常数值，分别为Q235B密度为7.83×10-9g/mm3，弹性模量为232541MPa，泊松比为0.274。塑料的密度为9.11×10-10g/mm3，弹性模量为750MPa，泊松比为0.4，见表1。

图3 Q235B力学性能参数

表1 Q235B和塑料薄膜的其他参数

（三）有限元分析。

如图4a所示，通过ABAQUS软件的有限元分析可知网架结构应力最大值为5.499×10-4MPa，出现在网架结构靠近约束的部分，即在应力云图中椭圆标记处，该处所受最大载荷它的数值远小于Q235的屈服值（235MPa）。由图4b可知网架结构的等效塑性应变量为0，即表明该结构无塑性变形量，处于弹性状态。如图4c所示，应变云图中除塑料薄膜处有等效塑性应变外其余各处为零，所以，网架结构是处于弹性变形，符合设计要求，能够抵抗自然载荷的作用。

图4 有限元分析结果图

三、结论

连跨型焊接网架是广泛运用于塑料大棚的支持结构件，主体结构包括钢架，覆盖材料，加固材料。结构主体采用焊接成形方式，棚体采用三纵两卡，结构长6米，落差大。基于网架结构的特点，使用ABAQUS软件对主体结构进行有限元分析实验选择Q235B钢作为研究对象。根据钢结构进行静力学分析，计算出了网架结构在外载荷条件下钢结构的应力和应变，并通过应力云图和应变云图形象的表示出来。应力最大值为5.499×10-4MPa，出现在网架结构靠近约束的部分，远小于Q235B屈服强度，等效塑性应变量为0。即表明该结构无塑性变形量，处于弹性状态。最终得出结果所设计的方案完全符合使用要求。