基于ANSYS软件的节点滞回性能可靠性验证方法分析

张海风

（河南交通职业技术学院，河南 郑州 450000）

0 引言

在结构工程强度分析计算中，有限元软件模拟计算方法已成为一种应用广泛并且方便高效的数值分析方法[1]。但在实际应用中，由于种种条件限制，很多借助于软件的模拟分析，没有与之对应的试验做参照验证，这样无法知道在计算机模拟过程中的数据输入、单元选择与划分、材料属性定义、约束与荷载的施加以及模拟方法和思路等是否正确。为了保证计算机软件模拟的精度和可靠性，可以进行可靠性试验算例验证，即选择权威学者公开发表的试验数据，采用选择的计算机软件模拟方法进行模拟，模拟的结果与公开发表的试验数据进行对比，如果分析结果与试验结果相似度较高，相差较小，则证明采用的模拟方法具有较高的精度和可靠性，则可以用所采用的模拟方法进行后续或者所需的模拟计算分析。关于试验选择，应尽量选取与模拟模型相同或相似的试验。

本文以利用ANSYS有限元软件模拟T型钢管节点滞回性能的研究为例，对已有T型钢管节点滞回性能的试验进行模拟，对比模拟得到的数据曲线和参照试验得到的数据曲线，验证利用ANSYS软件采取有限元模拟方法的可靠性。

1 参照试验选择

1.1 试验介绍

选择重庆大学学报所发表的何远宾研究的T型节点滞回性能试验做参照[2]，将ANSYS软件模拟得到的滞回曲线与试验得到的滞回曲线做对比，验证本模拟方法的可靠性。

该试验选用钢管T型节点，试件的反复荷载加载装置为2台50T的MTS液压千斤顶，荷载采用轴向加载，施加于直向支管的一端，主管一端只限制三个方向的位移但可以转动，由2个地锚螺栓前后固定在地槽上，为防止主管发生倾斜，用和主管尺寸大小一样的管件一端连接主管，另一端固定在反力墙上，同样不限制上端连接处的转动自由。主管的直径大小为219mm、长度是2030mm，钢管厚度为5.7mm，支管直径、壁厚和长度（到主管中心）分别为102mm、4.03mm 和1020mm。节点试件安装图见图1。本试验选用位移控制的加载方式如图2，即每循环加载一次使构件达到设定的位移值为准。

图1 节点试件安装图

图2 位移控制加载过程

1.2 试验结果

试验滞回曲线为位移和荷载的关系图，x轴为位移值，y轴为荷载值，描点即可得到滞回曲线，其中荷载值由专业电子测量仪器读出,位移值由加于杆端的位移计测量读出，得到滞回曲线，见图3。

图3 试验测得滞回曲线

2 ANSYS有限元模拟

2.1 创建几何模型

几何模型的创建方法较多，可在ANSYS中直接建模，也可先在绘图软件中建立三维模型再导入到ANSYS中。考虑到参照试验的几何数据，若采用直接在ANSYS中建模的办法较为繁琐，所以本文选择在AutoCAD软件中采用三维建模，保存为sat格式，然后导入到ANSYS中。

2.2 选择计算单元

ANSYS中有丰富多样的计算单元可供选用，其中杆单元主要用于杆件，梁单元主要用于梁构件，壳单元主要用于厚度较薄的构件如钢管，除此之外，还有最为常用的实体单元[3]。本文的计算模型均为壁厚较薄的钢管，相当于一个薄壁结构，所以既可以选用实体单元，也可以选用板壳单元，但通过两种单元的计算对比发现：实体单元很难稳定收敛到某一个解，但是板壳单元很快就能够稳定收敛到一个解。因此如果选用实体单元，网格需要划分得足够精细，导致计算量过大，而计算量过大又会导致误差累计的问题，使计算结果偏差较大。因此，本计算模型选用板壳单元。

板壳单元也有多种，如果厚度较薄或至中等的壳结构都适用于SHELL181单元，而且该单元不仅可以考虑线性问题，也可以解决非线性大应变的问题，均布压力也可考虑进去。

在SHELL181单元内默认为厚度是均匀变化的，如果该单元处厚度相等，只需要在一个节点输入厚度值即可。如果该单元的厚度不同，那么在不同节点处输入不同厚度即可。考虑到本计算模型的特征，选用SHELL181单元。

2.3 理想化多线性模型的建立

由于本模型所模拟的加载过程是正反两向反复循环加载变形，存在反向塑性变形的问题，所以应考虑包辛格效应。包辛格在金属材料的力学性能实验中发现对金属正向加载时，金属材料会出现塑性应变强化的现象，但是在反向加载过程中又会出现塑性应变弱化和屈服极限变小的现象。

ANSYS通过所用的强化准则把包辛格效应的影响施加到模型上，主要有随动强化准则和等向强化准则两种准则，对规定屈服面进行矫正。随动强化的屈服面在沿屈服方向的平移过程中面积大小保持不变。等向强化屈服面在平移过程中面积随塑性流动在各个方向均匀扩大。对于小应变低周循环荷载，大多数材料符合随动强化准则的变化规律。所以本模型选用随动强化准则。对于随动强化准则，ANSYS支持双线性、多线性和非线性三种不同的曲线形式，本文选用多线性随动强化模型。在ANSYS中，多线性随动强化常用的有MKIN（固定表）和KINH（通用表）两个类型，均对金属的小应变塑性分析有效且符合Mise屈服准则。本文选用通用表通过输入应力应变数据点来定义应力—应变曲线。

应力-应变曲线是由钢材的单向拉伸试验描点得到。该曲线精确地表达了钢材的应力和应变的一一对应关系，但将该曲线完美输入到有限元软件较为困难，因为该曲线直线段较少，大多为曲线段，通过描点工作和输入点坐标将此曲线嵌入多线性随动强化模型中，需要很大的工作量。但本计算模型需要Q345结构钢的应力-应变曲线，而且是多线性模型，因此把钢材静力作用下的应力-应变曲线，简化为理想化的多线性模型：屈服强度为345MPa，抗拉强度为550MPa，弹性模量为EX=2.06E11，泊松比PRX=0.3，强化阶段屈服极限和强度极限之间的斜率即切线模量取为弹性模量的1%，即2.06E9。

2.4 定义单元常数

本节点模型采用SHELL181单元，由于圆钢管厚度均匀，故在real constant对话框中四个节点处输入统一的厚度即可。但由于钢管节点的主管与支管厚度不同，所以要定义两组单元常数，以实现对主管和支管设置不同的厚度。

2.5 划分单元

网格划分方式有多种，其中自由划分最方便易行，但由于其划分的单元很不规则，其计算效果和精度很差。比较好的划分方法是面映射划分和体映射划分，由于本模型选取壳单元，所以选用适用于壳单元的面映射划分，而体映射划分主要适用于solid实体单元。网格划分时可以手动设定划分精度的大小，如对一条线进行多少等分或每一等分的长度是多少，对一个面进行多少等分，或每一个等分面的面积大小是多少。由于单元划分的大小与最后的计算精度有着直接的联系，对一个单元具体划分为多大要根据实际情况来确定。划分越是精细，计算结果也越精准，但是计算量也会随之增多。没有必要在受力影响较小的部位网格划分过小，但在构件的主要受力部位或主要研究部位需要对网格进行细化，以达到计算量与计算精度的最好平衡。

对T型钢管节点的网格划分采用面映射划分网格和自由划分网格相结合的方式。由于相贯节点附近形状较为复杂，采用自由划分的方式，远离相贯节点的区域采用映射划分网格的方式。T型相贯节点主要受力区域在钢管相交区域，为使分析结果更为精确，对相交区域附近网格进行加密[4]。

2.6 施加约束及荷载

对相贯节点主管两端施加三个方向的全部约束，支管一端为自由端，在支管端施加平行支管方向的位移荷载，施加位移荷载时，在支管端部建立刚域，使该域内节点的自由度耦合到该域中间一点即支管端部的圆心，荷载直接施加在该点即可[5]。

2.7 模拟结果

采用有限元数值模拟得到的滞回曲线见图4所示。

图4 软件模拟得到的滞回曲线

3 结束语

通过对比采用有限元数值模拟和试验得到的滞回曲线可以看出，数值分析结果与试验结果吻合度较高，曲线饱满度和承载力相差较小。有限元得到的滞回曲线更加规律和饱满，这应该是由于有限元软件模拟没有考虑焊缝以及残余应力的影响。模拟得到的承载力极限值略低于试验结果，这应该是由于试验的约束力边界条件比有限元模拟分析强造成的。验证了本文所采用的有限元数值模拟方法的适用性和可靠性，可以用所采用的模拟方法进行后续或者所需的模拟计算分析。