1. 引言
傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與分析流程為:在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型中找出結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位;手動(dòng)提取關(guān)鍵部位節(jié)點(diǎn)的幾何信息、材質(zhì)信息、約束關(guān)系和內(nèi)力信息;根據(jù)節(jié)點(diǎn)幾何信息通過(guò)直接建模或?qū)氲姆绞皆?/span> Abaqus 等商用有限元軟件中建立節(jié)點(diǎn)有限元模型;然后根據(jù)材質(zhì)信息、約束關(guān)系和內(nèi)力信息在有限元軟件 Abaqus 等中進(jìn)行節(jié)點(diǎn)有限元分析。
采用這種流程存在以下不便:1)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中手動(dòng)提取計(jì)算節(jié)點(diǎn)信息過(guò)程繁瑣,且容易出錯(cuò);2)在通用有限元軟件中建立節(jié)點(diǎn)三維模型,建模過(guò)程復(fù)雜,且不便于修改,通過(guò)導(dǎo)入創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)三維模型,可能存在幾何錯(cuò)誤或者無(wú)法正確的劃分網(wǎng)格;3)在 Abaqus中根據(jù)材質(zhì)信息、約束關(guān)系和內(nèi)力信息進(jìn)行有限元分析,操作過(guò)程較多,對(duì)于一般鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn),基本都是相近的操作步驟;4)在分析節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多的情況下,上述流程工作量大,且大多都是重復(fù)性步驟,效率低下。
基于上述節(jié)點(diǎn)三維建模問(wèn)題,利用 V5 Automation 的 CATIA 二次開發(fā)技術(shù)(彭歡,2012;胡適,2006),開發(fā)了根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型,如 SAP2000 軟件計(jì)算模型,自動(dòng)提取關(guān)鍵部位的節(jié)點(diǎn)幾何信息創(chuàng)建精細(xì)化節(jié)點(diǎn)模型的插件。該插件功能為:1)提取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型中節(jié)點(diǎn)的材質(zhì)信息、約束關(guān)系和內(nèi)力信息;2)對(duì)簡(jiǎn)單節(jié)點(diǎn),如相貫焊節(jié)點(diǎn)、焊接球節(jié)點(diǎn)自動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算,并按照規(guī)范對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行承載力計(jì)算;3)根據(jù)幾何信息自動(dòng)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)參數(shù)化精細(xì)三維模型;4)可以同時(shí)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)的殼單元模型和實(shí)體模型。
針對(duì)上述在 Abaqus 中建立有限元模型效率地下的問(wèn)題,通過(guò) Python 語(yǔ)言編寫了生成Abaqus 批處理語(yǔ)句的腳本。腳本通過(guò)上述插件提取出的節(jié)點(diǎn)計(jì)算信息,自動(dòng)根據(jù)預(yù)定義的Abaqus 樣板文件,生成批處理語(yǔ)句。將批處理語(yǔ)句在 Abaqus 命令欄運(yùn)行,即可快速在模型中添加荷載和約束等信息,完成有限元計(jì)算模型的創(chuàng)建。
2. 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與分析流程
基于 CATIA 和 Abaqus 進(jìn)行快速鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與分析的工作流程如圖 1 所示。整個(gè)流程大體分為三個(gè)部分:前處理、設(shè)計(jì)計(jì)算和后處理。
圖 1. 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與分析流程
1)前處理:通過(guò)開發(fā)的 CATIA 插件,提取結(jié)構(gòu)分析模型中的幾何信息及內(nèi)力分析結(jié)果,整理得到需要分析節(jié)點(diǎn)的幾何信息、材質(zhì)信息、約束關(guān)系和內(nèi)力信息。
2)設(shè)計(jì)計(jì)算:通過(guò)開發(fā)的 CATIA 插件,根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)區(qū)設(shè)計(jì)計(jì)算,并結(jié)合規(guī)范(中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì),2010;中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,2010)中的公式對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行承載力驗(yàn)算。
3)后處理:通過(guò)開發(fā)的 CATIA 插件,創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)有限元模型,該模型可直接導(dǎo)入到有限元軟件 Abaqus 中,結(jié)合創(chuàng)建的 Abaqus 腳本及樣板文件,快速進(jìn)行節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算。
3. 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與分析關(guān)鍵技術(shù)
3.1 創(chuàng)建精細(xì)化節(jié)點(diǎn)模型
開發(fā)的 CATIA 插件創(chuàng)建不同類型節(jié)點(diǎn)的三維模型的方式有兩種。建模方式一為按照手動(dòng)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)的步驟及規(guī)范計(jì)算自動(dòng)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn),適用于建模流程相對(duì)簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)。按照此種方法創(chuàng)建的典型節(jié)點(diǎn)類型有相貫焊節(jié)點(diǎn)和焊接空心球節(jié)點(diǎn)。建模方式二適用于建模過(guò)程相對(duì)繁雜的節(jié)點(diǎn),這種方式采用先創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)參數(shù)化模板,通過(guò)程序驅(qū)動(dòng)模板中的參數(shù)得到需要的節(jié)點(diǎn)模型。支座節(jié)點(diǎn)、拉索節(jié)點(diǎn)和部分梁柱節(jié)點(diǎn)等均按照建模方式二創(chuàng)建。圖 2 為四分叉柱節(jié)點(diǎn)的模板文件三維圖,左側(cè)框中為該節(jié)點(diǎn)模板的部分參數(shù)。
圖 2. 四分叉柱節(jié)點(diǎn)模板三維圖
通過(guò)上述兩種建模方式,開發(fā)的插件可以批量快速地創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)三維模型,部分節(jié)點(diǎn)類型的三維模型圖如圖 3 所示。
圖 3. 節(jié)點(diǎn)零件三維實(shí)體模型
3.2 創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)有限元分析模型
開發(fā)的 CATIA 插件創(chuàng)建的實(shí)體模型可以直接導(dǎo)入 Abaqus 用于有限元計(jì)算,創(chuàng)建的實(shí)體模型及在 Abaqus 中劃分網(wǎng)格如圖 4 所示。
圖 4. 軟件創(chuàng)建的實(shí)體模型及劃分網(wǎng)格圖
桿件壁厚較小的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析時(shí),由于節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型在壁厚方向劃分網(wǎng)格數(shù)較少,有限元計(jì)算精度不高,因此需要建立節(jié)點(diǎn)的殼模型。
節(jié)點(diǎn)的殼模型往往會(huì)因?yàn)闂U件與桿件之間的殼相互接觸部位不精確而無(wú)法在有限元計(jì)算軟件中劃分網(wǎng)格,或者劃分的網(wǎng)格相互獨(dú)立從而得到錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果。如圖 5(a)所示,兩根桿件均劃分了網(wǎng)格,但桿件與桿件之間的網(wǎng)格并無(wú)聯(lián)系,按照此模型計(jì)算將無(wú)法得到正確的計(jì)算結(jié)果。因此在創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)殼模型時(shí),需要使桿件與桿件之間的具有精確的分界線,才可以在有限元軟件正確的劃分網(wǎng)格,如圖 5(b)所示兩桿之間網(wǎng)格不是獨(dú)立的。使節(jié)點(diǎn)殼模型桿件與桿件之間具有精確的分界線這一過(guò)程在在 Abaqus 中操作復(fù)雜且很難實(shí)現(xiàn)。
圖 5. 殼模型劃分網(wǎng)格
開發(fā)的插件按照桿件的生成順序依次提取節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型表面得到每個(gè)桿件的殼模型,然后將節(jié)點(diǎn)桿與桿之間連接部分殼分離出來(lái),使面與面的接觸部分具有精確的分界線,最后整合所有的殼單元得到節(jié)點(diǎn)的殼模型。按照這種殼模型的處理方式,軟件導(dǎo)出的節(jié)點(diǎn)殼模型用于有限元計(jì)算時(shí)均能正確的劃分網(wǎng)格,圖 6 為通過(guò)插件創(chuàng)建的一個(gè)節(jié)點(diǎn)殼模型及劃分網(wǎng)格圖。
圖 6. 軟件創(chuàng)建的殼模型及劃分網(wǎng)格
3.3 基于 Abaqus 進(jìn)行有限元分析
基于 Abaqus 進(jìn)行有限元分析主要分為 5 個(gè)步驟:1)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和項(xiàng)目特點(diǎn)定義 Abaqus樣板文件;2)運(yùn)行 Python 腳本,讀取中間文件,生成 Abaqus 批處理語(yǔ)句;3)在 Abaqus軟件運(yùn)行命令框運(yùn)行批處理語(yǔ)句;4)按照一定規(guī)則劃分網(wǎng)格(陸新征,2008),提交分析工作,進(jìn)行有限元計(jì)算;5)計(jì)算工作完成,分析有限元計(jì)算結(jié)果。
圖 7. 生成的部分 Abaqus 批處理語(yǔ)句
在 Abaqus 樣板文件中需要定義節(jié)點(diǎn)材質(zhì)、節(jié)點(diǎn)桿件和計(jì)算參數(shù)等通用參數(shù),運(yùn)行 Python
腳本生成的 Abaqus 批處理語(yǔ)句部分內(nèi)容如圖 7 所示。在 Abaqus 運(yùn)行命令框運(yùn)行批處、理語(yǔ)句中的內(nèi)容,即可在模型中賦予節(jié)點(diǎn)桿件截面、添加參考點(diǎn)、添加局部坐標(biāo)系、定義桿件荷載,定義邊界關(guān)系,完成創(chuàng)建有限元模型過(guò)程中絕大部分的定義工作。
上述采用節(jié)點(diǎn)隔離體分析方法是將周圍桿件的內(nèi)力作為外荷載施加于節(jié)點(diǎn)上,簡(jiǎn)化邊界
條件開展有限元計(jì)算。該模型無(wú)法考慮節(jié)點(diǎn)變形對(duì)整個(gè)網(wǎng)殼的影響,其邊界條件也需要進(jìn)行簡(jiǎn)化。
隔離體分析方法與實(shí)際情況存在一定差距,為了反應(yīng)節(jié)點(diǎn)域在整個(gè)加載過(guò)程中的動(dòng)力響應(yīng)和局部節(jié)點(diǎn)變形對(duì)整體結(jié)構(gòu)變形的影響,多尺度建模技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生(張慎,2019)。多尺度有限元模型可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力情況,將結(jié)構(gòu)的不同部位采用不同類型的單元來(lái)離散,形成多個(gè)不同尺度的有限元模型,并采用位移約束方程實(shí)現(xiàn)各種尺度有限元模型之間的連接,能夠同時(shí)給出節(jié)點(diǎn)區(qū)域和整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。在 Abaqus 軟件中,可以使用*Coupling 技術(shù)進(jìn)行建模,建立節(jié)點(diǎn)域?qū)嶓w有限元模型與整體結(jié)構(gòu)桿件模型之間的位移耦合約束,從而實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)域與整體模型的共同受力,Abaqus 多點(diǎn)約束連接如圖 8 所示。
圖 8. Abaqus 多點(diǎn)約束連接示意圖
多尺度模型建模的思路是;通過(guò)開發(fā)的 CATIA 插件,對(duì)節(jié)點(diǎn)域精細(xì)化建模;通過(guò) Python腳本對(duì)三維模型進(jìn)行處理得到有限元分析模型;將結(jié)構(gòu)分析軟件的非節(jié)點(diǎn)區(qū)域桿件和節(jié)點(diǎn)信息提取出來(lái)得到整體桿件分析模型;通過(guò)多尺度耦合將計(jì)算域的自由度耦合起來(lái),得到多尺度計(jì)算分析模型。
4. 工程實(shí)例
4.1 某環(huán)保電廠側(cè)墻桁架節(jié)點(diǎn)復(fù)核
該環(huán)保電廠總用地面積約 26 萬(wàn)㎡,建筑面積約 186144 ㎡。該垃圾發(fā)電廠建成后,將是全球單廠規(guī)模最大、標(biāo)準(zhǔn)最高的垃圾焚燒發(fā)電廠。該電廠主廠房外圍一圈透空維護(hù)鋼結(jié)構(gòu),高度 66.6 米,維護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)墻桁架采用雙層桁架,底部為圓形,直徑 326 米。
4.1.1 篩選分析節(jié)點(diǎn)
該項(xiàng)目需要對(duì)側(cè)墻桁架所有鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)算,節(jié)點(diǎn)形式均為相貫焊節(jié)點(diǎn),驗(yàn)算內(nèi)容包括規(guī)范公式驗(yàn)算和有限元分析。
根據(jù)結(jié)構(gòu)分析軟件 Midas Gen 中模型桿件內(nèi)力,選取典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。選取思路為:按照水平桁架形成的圓環(huán)分層;按照節(jié)點(diǎn)桿件數(shù)量及桿件定位對(duì)部分層組合;每個(gè)組合按照在包絡(luò)荷載組合下,軸力最大的水平桁架與垂直桁架相交的節(jié)點(diǎn)的方式分別選擇內(nèi)外側(cè)節(jié)點(diǎn)。
最終總共挑選 17 個(gè)典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)算,分別取每個(gè)節(jié)點(diǎn)桿件軸力最大的荷載組合為該節(jié)點(diǎn)的最不利荷載組合,在最不利荷載組合下提取節(jié)點(diǎn)桿件的內(nèi)力作為分析荷載進(jìn)行規(guī)范公式驗(yàn)算和有限元分析。
4.1.2 節(jié)點(diǎn)信息處理及設(shè)計(jì)計(jì)算
通過(guò)開發(fā)的 CATIA 插件,讀取并整理 Midas Gen 軟件輸出的項(xiàng)目分析結(jié)果 mgt 文件,得到所有需要分析節(jié)點(diǎn)的幾何信息、材質(zhì)信息、約束關(guān)系和桿件內(nèi)力信息。
根據(jù)上述信息區(qū)分各相貫焊節(jié)點(diǎn)主次桿,并根據(jù)規(guī)范公式對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)算,將驗(yàn)算結(jié)果輸出到 EXCEL 中,圖 9 為一個(gè)節(jié)點(diǎn)按照規(guī)范公式驗(yàn)算得到的結(jié)果。
圖 9. 規(guī)范公式驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)結(jié)果表格
4.1.3 創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)三維模型
通過(guò)開發(fā)的 CATIA 插件和上述整理得到節(jié)點(diǎn)信息,按照前文所述建模方式一批量在CATIA 軟件中創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)的三維模型。節(jié)點(diǎn)區(qū)桿件長(zhǎng)度按照一定的規(guī)則選?。ㄚw鵬飛,2013)。節(jié)點(diǎn)由桿件按照主管、直徑和壁厚由大到小的順序依次相貫得到。圖 10 為創(chuàng)建的一個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維模型。
圖 10. 節(jié)點(diǎn)區(qū)三維模型
4.1.4 節(jié)點(diǎn)有限元分析
首先,需根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)定義 Abaqus 計(jì)算樣板文件,在樣板文件中需要定義以下通用參數(shù):1)節(jié)點(diǎn)材質(zhì),節(jié)點(diǎn)鋼材均為 Q345,鋼材應(yīng)立-應(yīng)變曲線采用雙折線模型。鋼材屈服強(qiáng)度取為相應(yīng)材料的名義屈服強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值);2)節(jié)點(diǎn)桿件截面,預(yù)定義項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)需要用到的所有截面,包括截面厚度、材質(zhì)等信息。
圖 11. 節(jié)點(diǎn)邊界條件
將在 CATIA 中創(chuàng)建的文件,導(dǎo)入 Abaqus 樣板文件中。運(yùn)行 python 腳本,讀取整理好的節(jié)點(diǎn)信息,生成 Abaqus 批處理語(yǔ)句。在 Abaqus 運(yùn)行命令框運(yùn)行批處理語(yǔ)句中的內(nèi)容,即可在模型中賦予節(jié)點(diǎn)桿件截面、添加參考點(diǎn)、添加局部坐標(biāo)系、定義桿件荷載,定義邊界關(guān)系,完成有限元模型絕大部分的定義工作。定義工作完成的節(jié)點(diǎn)有限元模型如圖 11 所示。
圖 12. 節(jié)點(diǎn)區(qū)網(wǎng)格劃分示意圖
圖 13. 節(jié)點(diǎn) Mises 應(yīng)力和塑性應(yīng)變?cè)茍D
最后,劃分節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格,有限元模型采用 S4R 殼單元,全局網(wǎng)格布種間距均為 20mm,節(jié)點(diǎn)區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖如圖 12 所示。網(wǎng)格劃分完成后,提交有限元分析工作,進(jìn)行有限元分析。分析完成的一個(gè)節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果如圖 13 所示。
4.2 某大跨度空間結(jié)構(gòu)屋蓋節(jié)點(diǎn)多尺度分析
按照本文講述的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析流程,對(duì)某大跨度空間結(jié)構(gòu)鋼屋蓋節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多尺度分
析。通過(guò)開發(fā) CATIA 插件快速創(chuàng)建本項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)域節(jié)點(diǎn)殼單元模型,導(dǎo)入到 Abaqus 軟件中。節(jié)點(diǎn)域構(gòu)件均采用殼單元(S4RS3R 單元)模擬,其余構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧˙31 單元)進(jìn)行模擬,兩種單元自由度類型不一致,需要進(jìn)行多尺度耦合處理。這里采用常用的動(dòng)態(tài)耦合(*Kinematic Coupling)的方式將兩種單元關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合,兩種單元的連接方式如圖 14所示。采用多尺度方法能夠?yàn)楣?jié)點(diǎn)區(qū)域提供準(zhǔn)確的邊界條件,給出整體結(jié)構(gòu)和局部節(jié)點(diǎn)域?qū)嶋H的受力行為,分析結(jié)果如圖 15 所示。
圖 14. 屋蓋節(jié)點(diǎn)多尺度連接示意圖
圖 15. 整體結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖
5. 結(jié)語(yǔ)
1)根據(jù) CATIA 二次開發(fā)和建模特點(diǎn),利用 Visual Basic 語(yǔ)言開發(fā)了基于 CATIA 的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)插件。該插件讀取結(jié)構(gòu)分析軟件輸出的分析結(jié)果,整理得到需要分析節(jié)點(diǎn)的幾何信息、材質(zhì)信息、約束關(guān)系和內(nèi)力信息。省去了節(jié)點(diǎn)信息提取過(guò)程中的繁瑣流程,篩去重復(fù)工作,提高了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與分析的工作效率。
3)開發(fā)的 CATIA 插件具有節(jié)點(diǎn)承載力驗(yàn)算和創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算分析模型的功能。節(jié)點(diǎn)承載力驗(yàn)算功能可以批量對(duì)項(xiàng)目中能通過(guò)規(guī)范公式驗(yàn)算的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)算。創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算分析模型功能解決了復(fù)雜節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算模型創(chuàng)建的難題,并且可以用于創(chuàng)建項(xiàng)目的多尺度分析模型。結(jié)合這兩種功能,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目中所有節(jié)點(diǎn)的分析驗(yàn)算。
3)通過(guò) Python 語(yǔ)言開發(fā)的批處理腳本,可以快速的根據(jù)節(jié)點(diǎn)幾何模型和提取的信息完成在 Abaqus 中添加節(jié)點(diǎn)桿件截面、添加參考點(diǎn)、添加局部坐標(biāo)系、定義桿件荷載、定義邊界關(guān)系等絕大部分有限分析過(guò)程中的定義工作,大大提高了節(jié)點(diǎn)有限元分析工作的效率。
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