新型組合節點非線性有限元分析研究心得★

黃雨薇 楊亞武 彭路遠 黃 倩 王 昱

(長安大學建筑工程學院，陜西 西安 710018)

1 概述

ABAQUS是一套在設計與工程中都普遍采用的有限元工程模擬軟件，在各類線性與非線性數值分析等問題上都有很好的表現[1]。然而，在本科階段，關于ABAQUS的課程寥寥無幾。本文在大創項目的資助下，探討性的運用ABAQUS進行數值模擬，研究復式鋼管混凝土柱—鋼梁節點在低周往復荷載作用下的抗震性能，通過自學與老師指導，順利完成了該項目的主要內容，針對ABAQUS分析過程中的關鍵問題，提出解決方案，為今后本科生學習ABAQUS軟件進行結構工程分析提供一定參考價值。

2 復式鋼管混凝土柱—鋼梁節點數值模擬流程

ABAQUS軟件運行機理實際上是在本科《彈性力學》[2]課程中有涉及的有限元法。在實際結構中，待求的函數結點值很多，因為計算量巨大，所以需要計算機來計算求解。一般先在ABAQUS/CAE中創建模型，然后采用ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit進行模擬計算，最后通過ABAQUS/CAE的可視化模塊或其他后處理軟件將計算結果導出并進行分析[1]。本文選取張冬芳[3]論文中的復式鋼管混凝土柱—鋼梁節點模型，節點的模型數據及試驗加載數據如圖1所示。通過ABAQUS軟件各模塊創建了該節點的三維實體部件并進行裝配、賦予材料性質、剖分網格、創建與試驗等效的邊界條件并設置荷載，完成了該模型的非線性數值模擬。

3 非線性數值模擬中的關鍵問題

3.1 網格劃分

網格劃分主要通過Mesh模塊進行，本文模型單元采用Hex六面體單元進行劃分，主要涉及3個關鍵點：1)對于形狀較規則的部件直接采用Seed Part撒種子；對于一些特殊部件則采用Seed Edges單獨撒種子。2)考慮是否對種子進行約束。本模型中大多數部件采用邊種子完全不約束，以便后期生成網格時，ABAQUS能自適應匹配節點和種子，減少畸形網格生成。3)對已經劃分網格的部件或實體，修改種子或刪除種子，網格也會被清除。網格劃分是一個不斷改進優化的過程，為節省時間，應保證撒種子的準確性。

在本文建模過程中，對于沒有孔洞，如豎向肋板，方鋼管等形狀較規則的部件，采用Structured(結構化網格劃分技術)。對于有孔洞或有曲線邊緣，如水平端板、連接板、錨固腹板等帶有螺栓孔的部件，采用Sweep(掃掠網格劃分技術)且應用Medial axis(中軸算法)。對于直接采用結構化或掃掠網格劃分技術難以得到較高質量網格的復雜部件，采用Partition工具對其進行分割處理，得到多個形狀較規則的簡單區域后，再采用Structured或Sweep技術劃分網格。網格劃分后的節點模型如圖2所示。

3.2 接觸關系

裝配件各部分之間的相互作用、約束和連接主要通過Interaction模塊進行。本模型接觸關系復雜，柱身為方鋼管嵌套圓鋼管的形式，內部澆筑混凝土，外部與鋼梁連接。沒有連接鋼梁的兩個面平貼豎向肋板，肋板外伸部分與水平端板焊接。錨固腹板以平行豎向肋板的方向焊在內外鋼管間，通過連接板用螺栓與鋼梁腹板連接。螺栓和鋼材需要焊接的部分均采用“tie”連接。鋼材和混凝土之間的接觸關系考慮為：接觸界面法向沒有間隙，平行界面方向上是否存在滑移。在法向上，認為可以完全傳遞垂直接觸面的壓力，采用“hard contact”來模擬。在切向上，二者接觸面間存在相互摩擦，根據以往的研究，采用庫侖摩擦定律模擬。

3.3 設置邊界條件、施加荷載

組合節點模型的邊界條件主要是通過Load模塊模擬的。參考試驗邊界條件和加載制度(見圖1c))，在東西梁端和柱頂分別設置耦合截面施加荷載(見圖3)，其中往復荷載采用幅值函數以位移嚴格控制。螺栓預緊力采用connector load模擬，connector displacement創建固定位置，預緊力施加在與螺栓桿接觸的截面上，經過多次試算與試驗結果對比，最終確定了合適的預緊力，如圖4所示。

4 結語

本文采用ABAQUS軟件探討性研究了復式鋼管混凝土柱—鋼梁節點的建模分析過程，針對網格劃分、設置邊界條件和施加荷載等關鍵步驟提出了解決方案，為此類試驗更深的研究探索打下基礎，給同類型研究者提供參考資料與思路。