钢结构整体稳定性问题有限元仿真辅助教学探索与实践

王炳军 党 彦

（1.山东科技大学<土木工程与建筑学院>，山东 青岛 266590；2.青岛滨海学院<建筑工程学院>，山东 青岛 266555）

1 研究背景及意义

按照材料的不同，工程结构可划分为混凝土结构、砌体结构、钢结构、木结构等。钢结构是由型钢或钢板经焊接或螺栓连接制成的钢梁、钢柱、钢桁架等基本构件组成的工程结构。由于钢材具有良好的塑性和韧性，以及轻质高强的特点，钢结构在土木、水利、港航等领域得到了愈来愈广泛的应用，也成了目前重点推广和应用的结构形式。

钢结构基本原理是高校土木工程专业的专业核心课，其基本内容为连接以及钢梁、钢柱、钢桁架等基本构件的设计原理，其特点是理论性、综合性及实践性强。由于钢材轻质高强的特点，其钢柱或钢梁的横截面截面为薄板组成的工字形或T形截面，这种单薄的截面和细长的构件决定了钢结构构件最容易发生失稳破坏而不是强度破坏，即钢结构构件的核心问题是稳定问题。稳定性问题是钢结构教学中的重点和难点问题，其概念抽象，公式复杂[1-2]。

钢结构形式在工程建设中的广泛应用与迅速发展，对高校钢结构课程教学及人才培养提出了更高的要求[3]。多年的教学实践表明，对于抽象复杂的钢结构稳定问题，单纯采用理论讲解和公式推导的传统课堂教学模式，造成大多数学生难以领会和接受而难以达到理想的授课效果。鉴于此，探索新的稳定问题教学方法，使学生从传统的被动接受转变到主动积极参与，是钢结构稳定问题教学改革的当务之急[4-5]。

随着电子科技和信息技术的飞速发展，虚拟仿真技术被越来越广泛地应用到课程教学中[6-7]。虚拟仿真技术能将晦涩难懂的知识点直观地展现给学生，同时能实现学生主动参与，避免了课堂教学学生只能被动接受的模式。

众所周知，ANSYS与ABAQUS是目前在土木工程领域交流流行的大型通用有限元仿真分析软件。通过有限元虚拟仿真，能将抽象的问题直观化，以及完美展现构件失稳破坏过程。鉴于此，本文拟探索如何利用有限元软件ABAQUS对钢结构构件稳定性问题进行虚拟仿真教学。

2 稳定问题有限元虚拟仿真教学实践

2.1 概述

以轴心受压构件即钢柱为例。按照是否有平衡分枝现象，轴心受压构件的整体稳定问题分为两类。第一类稳定问题为存在平衡分枝的理想轴心压杆稳定问题，所谓平衡分枝指的是压杆平衡从直线平衡随荷载增大变为微弯平衡，其失稳临界力可由解析方法计算，即欧拉公式；第二类稳定问题为无平衡分枝的实际轴心受压构件稳定问题，即无直线平衡状态，随荷载增大，变形由小到大，直至失稳破坏，其稳定承载力可按最大强度准则确定。

在有限元软件中，与这两类稳定问题相对应的模块分别是特征值屈曲分析和非线性屈曲分析。通过特征值屈曲分析可以得到失稳临界荷载系数，失稳临界荷载系数乘以柱顶所施加的荷载即为失稳临界力。非线性屈曲分析可得到荷载位移曲线，根据荷载位移曲线，可得到实际轴心受压构件失稳破坏时的最大荷载。

2.2 稳定问题有限元仿真辅助教学实例

考虑到本科阶段学生对有限元软件操作比较陌生，首先在课堂上详细讲解轴心受压构件整体稳定弹性屈曲相关理论、公式推导等，然后讲解有限元仿真模拟详细过程，并在课堂上结合ABAQUS软件讲解操作过程及各符合的含义。

轴心受压构件横截面形式如图1所示，柱高4.2 m，翼缘板厚度为10 mm，腹板厚度为6 mm。

图1 柱横截面（单位：m）

（1）模型前处理可通过ABAQUS自带的CAE实现。对于CAE操作有困难的学生，也可通过事先封装好的Python参数化语言实现建模，如下所示。

#基本参数

myModel=mdb.models[’Model-Pile’]

mySketch=myModel.ConstrainedSketch

（name=’Zhuprofile’，sheetSize=1.0）

#截面绘制

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，对该部件进行装配，装配后轴心受压柱模型如图2所示。

图2 轴心受压柱模型

（3）装配完成后，定义材料属性，选择elastic弹性，质量密度7 850 kg/m3，弹性模量200 GPa，泊松比0.3。通过创建截面属性将定义的材料赋予给几何部件。

（4）创建边界条件，两端边界条件均为铰支，即柱顶限制X，Y位移，柱底限制X，Y，Z方向位移。边界条件建立后，柱顶施加壳边缘法向荷载，荷载大小可取单位荷载1 kN。

（5）边界条件和边缘荷载施加后，对几何部件划分网格如图3所示。然后创建分析任务，提交分析作业。

图3 单元网格

（6）后处理。一阶和二阶模态位移云图如图4和图5所示，特征值变化曲线如图6所示。

图4 一阶位移云图

图5 二阶位移云图

图6 特征值变化曲线

3 结语

对于理论复杂概念抽象的钢柱整体稳定这一教学难点，借助ABAQUS软件进行辅助教学进行了探索。通过ABAQUS有限元仿真，将抽线的整体问题可视化，同时能实现学生主动参与到稳定问题的学习中来，从而可以加深学生对钢结构稳定问题的认知和理解，同时也增强了学生的动手能力，提高了学生的科学素养和科技创新能力，最终达到提高钢结构课程授课质量的目的。