铸钢节点有限元计算分析方法

叶成浩　尧国皇

【摘 要】本分析报告采用国际大型通用有限元软件ABAQUS对节点进行有限元受力分析，重点关注铸钢节点的应力状态、变形状态以及弹塑性。

【关键词】铸钢节点；有限元分析

1.前言

铸钢节点是近年来随着大跨空间桁架结构体系发展起来的一种新型的结构节点形式，具有受力明确、直接、承载力大，减少了节点板、节点球的次应力对结构内力的影响，可在工厂内整体浇铸，具有良好的适应性，可根据建筑需要生产出具有复杂外形和内腔的节点。因其优越的性能，在国外已经广泛应用于大跨空间桁架钢结构中的重要节点，在国内也在逐步推广应用。

2.ABAQUS软件介绍

ABAQUS是一套功能强大的基于有限元方法的工程模拟软件，它可以解决从相对简单的线性分析到极富挑战性的非线性模拟等各种问题。ABAQUS具备十分丰富的单元库，可以模拟任意实际形状。ABAQUS也具有相当丰富的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能，包括金属、橡胶、聚合物、复合材料、钢筋混凝土、可压缩的弹性泡沫，以及地质材料，例如土壤和岩石等。作为一种通用的模拟工具，应用ABAQUS不仅能够解决结构分析（应力/位移）问题，而且能够模拟和研究包括热传导、质量扩散、电子元器件的热控制（热一电耦合分析）、声学、土壤力学（渗流—应力耦合分析）和压电分析等广阔领域中的问题。

ABAQUS为用户提供了广泛的功能，使用起来又十分简便。即便是最复杂的问题也可以很容易地建立模型。例如，对于多部件问题，通过对每个部件定义合适的材料模型，然后将它们组装成几何构形。对于大多数模拟，包括高度非线性的问题，用户仅需要提供如结构的几何形状、材料性能、边界条件和荷载工况这些工程数据。在非线性分析中，ABAQUS能自动选择合适的荷载增量和收敛准则，ABAQUS不仅能够自动选择这些参数的值，而且在分析过程中也能不断地调整这些参数值，以确保获得精确的解答。对于控制问题的数值求解，用户几乎不必去定义任何参数。

3.有限元分析模型的建立

在AutoCAD建立节点模型后直接导入ABAQUS软件中进行分析。材料模型为线弹性，钢材弹性模量取2.06×105MPa，泊松比为0.3。

由于铸钢节点几何构造比较复杂，选用实体单元C3D4对几何模型进行自由划分。单元网格采用细分网格的网格实验方法，确定合适的网格，控制单元最小尺寸，以保证有限元分析结果的准确性。

分析模型及材料特性的选取均参考原设计关于铸钢节点的说明及《铸钢节点应用技术规程》CECS 235：2008相关的规定和规程GB T 11352-2009《一般工程用铸造碳钢件》的相关规定。

材料：理想弹塑性材料，满足Von-Mises屈服准则；铸钢节点采用GS-20Mn5V，屈服强度取300Mpa。图1所示为铸钢的应力-应变关系曲线。

4 有限元分析结果

为了便于了解节点内部铸钢的应力状态，图6给出了节点内部的应力云图。

5.铸钢节点有限元分析结论

在设计荷载作用下，铸钢件节点mises应力值不超过材料的设计强度。

在最不利荷载组合下铸钢节点的最大应力为270.5N/mm2，不超过铸钢材料的设计强度，铸钢节点一（满足设计要求。