直接焊接K型、KK型圆钢管节点静力性能的有限元分析

中国分类号：TU392.3 学校代码：10213 UDC：624.014 密级：公开
硕士学位论文
直接焊接K型、KK型圆钢管节点静力性能的
有限元分析
硕士研究生：井司南
导师：武振宇 教授 博士生导师
申请学位：工学硕士
学科：结构工程
所在单位：土木工程学院
答辩日期：2009年6月
授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index：TU392.3
UDC：624.014
Dissertation for the Master Degree in Engineering
FINITE ELEMENT ANALYSIS ON STATIC BEHAVIOR OF DIRECTLY WELDED K-TYPE AND
KK-TYPE CHS-JOINTS
Candidate:Jing Sinan
Supervisor:Prof. Wu Zhenyu
Academic Degree Applied for:Master of Engineering
Speciality:Structural Engineering
Affiliation:School of Civil Engineering
Date of Defence:July, 2009
Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology
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摘要
空间管结构因其良好的力学性能、优美的外观和相对低廉的造价，在建筑结构中得到广泛应用。

平面K型和空间KK型节点是直接焊接圆钢管结构中普遍使用的一种节点形式。

本文利用ANSYS有限元软件，对典型节点进行分析，明确了模型的边界条件、材料特性、杆件长度和网格的密度，验证了有限元模型的可靠性。

采用大规模参数分析作为研究手段，对直接焊接圆钢管相贯节点的静力工作性能进行分析研究，具体工作如下：
(1) 对弦杆有、无轴压作用的平面K型、空间KK型间隙圆钢管节点进行了分析。

本文不仅跟踪了节点荷载—位移曲线的全过程，而且全面考察了各主要几何参数和弦杆轴压力作用对节点变形、失效模式、刚度和极限承载力的影响，并分析了现象的产生原因。

着重探寻了空间节点的三个空间参数对承载力的影响规律以及空间节点与对应的平面节点承载力比值的变化规律。

(2) 对弦杆有、无轴压作用的平面搭接K型、空间平面内搭接KK型圆钢管节点进行了分析。

采用与间隙节点相同的分析思路，另外又着重研究了搭接率、搭接内隐蔽部分不施焊和反向加载对节点承载力的影响规律。

(3) 对空间平面外搭接KK型圆钢管节点进行了分析。

本文提出了一种等效
d的计算公式。

计算方法，给出了等效直径
l
本文将分析结果与钢结构设计规范(GB50017-2003)中相应的规定进行了对比，指出了钢结构规范圆管节点承载力公式中的不足之处和有待于进一步研究的问题，得到了一些有益于结构设计的结论。

关键词：平面K型圆钢管节点；空间KK型圆钢管节点；有限元分析；静力性能
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Abstract
Hollow section structures (HSS) become more widely used in the architectural construction due to their good mechanical properties, nice appearance, and relatively low cost. The planar K-type and multiplanar KK-type joints are very commonly used in the directly welded circular hollow section (CHS) structures.
In this paper, the boundary condition, material property, length of member and density of mesh were specified using the typical joints analysis methods by the ANSYS finite element software. The reliability of the finite element model was verified. The research on the static behavior of directly welded CHS joints was carried out by a large scale of the parameter analysis. The work done is as follows:
(1) Analysis of gapped planar K-type and multiplanar KK-type CHS joints with axial load or without axial load was conducted. In this paper, not only was the whole process of load-displacement curve of joints traced, but also the influence of main geometric parameters and chord axial loads on the deformation, failure mode, stiffness and ultimate capacity of the joints was widely investigated. And the causes of the phenomenon were analyzed. The influence of three multiplanar parameters of KK joints on ultimate capacity and the variation of capacity ratio between multiplanar joints and planar joints was explored.
(2) Analysis of overlapped planar K-type and in-plane overlapped multiplanar KK-type CHS joints with axial load or without axial load was conducted. The ideas of analysis were the same as that adopted by above gapped CHS joints. In addition, the law of influence of the ratio of overlap, no seam at inner hidden part of overlapped K-joints and reverse load on ultimate capacity was put emphasis on analysis.
(3) Analysis of out-of-plane overlapped multiplanar KK-type CHS joints was conducted. In this paper, equivalent method of calculating ultimate capacity was
d was derived.
proposed. The formula of equivalent diameter
l
The comparison was made between the result of finite element analysis and formula given by code for design of steel structures(GB50017-2003). Deficiency of code formula about ultimate capacity of CHS joints was presented and problem
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requiring further study was put forward. Some valuable conclusions were drawn for reference in structural design.
Keywords: Planar K-type CHS joints, Multiplanar KK-type CHS joints, Finite element analysis, Ultimate capacity
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目录
摘要 (I)
Abstract (II)
第1章绪论 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 直接焊接钢管节点的分类 (2)
1.3 直接焊接钢管节点的失效模式 (3)
1.4 直接焊接钢管节点的研究现状 (3)
1.4.1 国外研究现状 (3)
1.4.2 国内研究现状 (5)
1.5 本文研究工作 (6)
第2章节点有限元分析模型 (8)
2.1 计算程序简介 (8)
2.2 有限元模型的建立 (8)
2.2.1 节点模型的单元选取 (8)
2.2.2 有限元模型中的若干问题 (8)
2.2.3 非线性及求解设置 (13)
2.3 本章小结 (14)
第3章圆钢管间隙K、KK型相贯节点的静力性能 (15)
3.1 概述 (15)
3.2 节点失效准则 (16)
3.3 节点受力性能分析 (18)
3.3.1 变形和失效模式 (18)
3.3.2 应力分布及塑性发展过程 (19)
3.4 主要影响参数分析 (21)
3.4.1 弦杆轴向间隙
g的影响 (25)
l
3.4.2 腹弦杆管径比β的影响 (26)
3.4.3 腹弦杆厚度比τ的影响 (30)
3.4.4 弦杆径厚比γ的影响 (32)
3.4.5 腹弦杆夹角θ的影响 (33)
3.4.6 弦杆承受轴压力情况及弦杆轴压力系数n (34)
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3.4.7 弦杆受轴压力情况时节点的变形特点 (36)
3.4.8 轴压力系数n 不变，腹弦杆管径比β的影响 (37)
3.4.9 轴压力系数n 不变，弦杆轴向间隙l g 的影响 (38)
3.4.10 轴压力系数n 不变，腹弦杆厚度比τ的影响 (39)
3.4.11 轴压力系数n 不变，腹弦杆夹角θ的影响 (40)
3.4.12 其他几何参数不变，轴压力系数n 的影响 (41)
3.4.13 节点空间参数φ、t g 和ot e 的影响分析 (43)
3.4.14 KK 型节点与K 型节点的性能比较 (46)
3.4.15 尺寸效应的影响 (48)
3.5 本章小结 (49)
第4章 圆钢管搭接K 、KK 型相贯节点的静力性能 (51)
4.1 概述 (51)
4.2 节点计算简图及失效准则 (53)
4.3 节点受力性能分析 (53)
4.3.1 变形和失效模式 (53)
4.3.2 应力分布及塑性发展过程 (54)
4.4 主要影响参数分析 (57)
4.4.1 搭接率v O 的影响 (59)
4.4.2 腹弦杆管径比β的影响 (60)
4.4.3 腹弦杆壁厚比τ的影响 (64)
4.4.4 弦杆径厚比γ的影响 (64)
4.4.5 弦杆承受轴压力情况及弦杆轴压力系数n (65)
4.4.6 弦杆受轴压力情况时节点的变形特点 (66)
4.4.7 轴压力系数n 不变，搭接率v O 的影响 (67)
4.4.8 轴压力系数n 不变，腹弦杆壁厚比τ的影响 (68)
4.4.9 轴压力系数n 不变，弦杆径厚比γ的影响 (69)
4.4.10 其他参数不变，轴压力系数n 的影响 (70)
4.4.11 节点空间参数φ、t g 和ot e 的影响分析 (72)
4.4.12 KK 型节点与K 型节点的性能比较 (73)
4.4.13 内隐蔽部分焊接与不焊接性能比较 (75)
4.4.14 反向加载性能的比较 (78)
4.4.15 空间平面外搭接KK 型节点静力性能 (80)
4.4.16 空间平面外搭接KK 型节点与对应平面K 型节点的性能比较 (82)
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4.4.17 空间平面外搭接KK型节点承载力简化计算方法探讨 (83)
4.5 本章小结 (85)
结论与展望 (86)
参考文献 (88)
附录 (93)
哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 (98)
哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 (98)
攻读学位期间发表的学术论文 (99)
致谢 (100)
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第1章绪论
1.1课题背景
近年来，空心管结构(Hollow Structural Section)在建筑结构中应用日益广泛，在体育馆、展览馆、机场等公共场所中经常可以见到，受到了广大设计者的亲睐，如图1-1所示。

钢管结构具备众多的优点，在经济方面：长期以来，我国的工业与民用建筑普遍采用钢筋混凝土建造，工期长，污染大且不宜回收，并且在大跨度建筑中，混凝土结构因其自重大导致截面设计笨重，用料多，经济性能差。

目前国家推行节能环保型建筑，采用钢结构势在必行，其中钢管结构是主要推广的品种形式。

同时管结构是没有锐角的闭口形状，减少了需要防护的表面积，使用更少的防腐涂料，延长了使用年限，提高了经济效益。

建筑使用方面：钢管结构外表美观、通透性好，常常用在屋盖结构中，并且建筑师们可以充分发挥自身想象，设计出任意形式的视觉效果，创造出优美的结构，这是建筑师非常喜欢使用管结构的一个重要原因，推动了管结构在建筑中的大量应用。

受力性能方面：钢管结构具有对称的截面形式，使得截面惯性矩对各轴相同，将有利于杆件的稳定性设计。

此外管结构是闭口截面，其抗扭性能要大大优于开口截面，因此具有良好的抗压和抗扭性能。

由于钢管结构具有光滑的表面，在风和水力作用下有较低的阻力系数，多用于海洋平台结构或风力发电设备[1]。

以上优点说明，钢管结构是很有发展前景的结构形式之一。

a) b)
图1-1 管结构工程实例
在管结构的应用中，管节点的设计是一个关键问题，由于材料塑性和几何大变形效应使得管节点计算理论极其复杂，并且管节点形式多样，受力机理不
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尽相同，给管节点的研究也造成了很多困难。

国内外学者在这方面进行了大量的研究，推动了管结构的广泛应用。

我国《钢结构设计规范》(GB50017-2003)也专门引入了钢管结构一章，但里面的计算公式多以单平面形式为主，对于多平面节点研究尚未成熟，尤其圆钢管多平面间隙节点和搭接节点均没有专门的公式，只是在已有的平面公式的基础上做简化计算，这将带来了一定的误差，因此有必要对空间圆管节点的受力性能进行深入研究。

1.2直接焊接钢管节点的分类
直接焊接钢管相贯节点通常是主管直通，支管切成相贯线，直接与主管焊接。

钢管包括圆管、方管、矩形管。

从空间关系来讲，可分为平面管节点和空间管节点两大类。

平面管节点是指主管和所有支管均位于一个平面内，而空间管节点就是指管节点有多个支管平面。

平面管节点可分为T、Y、K、X型四种基本形式。

空间组合后有XX、TT、TX、KK等形式。

另外，从支管的相对位置来讲，有搭接节点和间隙节点两种。

搭接节点是指支管全部或部分连接在其他支管上[2]。

表1-1给出了部分形式的示意图。

表1-1 管节点形式示意图
平面T型 平面Y型 平面K型
平面X型 空间XX型
空间TT型 空间KK型
注：上表的节点均是间隙情况
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1.3直接焊接钢管节点的失效模式
学者Wardenier、Stark、Kurobane等人通过对钢管节点大量的实验研究，表明由于不同的接头类型、荷载情况与各种几何参数的影响可能会有不同的失效模式[3]，总结出管节点基本的失效模式。

分别如下：
模式A：弦杆表面塑性失效；
模式B：沿腹杆四周弦杆表面冲剪失效；
模式C：受压腹杆塑性破坏或局部屈曲；
模式D：受拉腹杆塑性破坏或焊缝破裂；
模式E：弦杆表面塑性失效与腹杆局部破坏的混合失效模式。

对于间隙节点常以弦杆表面塑性失效为主要的失效模式，若间隙值过小，常伴有压杆的局部屈曲出现；对于搭接节点，多发生表面塑性与腹杆局部破坏的混合失效模式。

优良的施焊工艺一般是可以避免焊缝的破裂。

1.4直接焊接钢管节点的研究现状
上世纪50年代，人们在海洋中发现了大量的油气田，为了能够采集和利用这种蕴藏丰富的资源，需要在恶劣的海上环境建造海洋平台，而平台中管节点的设计成为当时一大难题。

当时工程师们对焊接钢管节点的性能几乎一无所知。

然而正是第一座海洋平台的建造，使人们才真正意识到钢管作为结构构件的优越性，促使人们开始研究钢管节点的性能。

1962年国际钢管结构发展与研究开发委员会(CIDECT)成立，该组织将主要活动集中在对钢管结构及其连接节点性能和结构开发应用研究方面，该组织的成立促进了世界各国对管结构的研究[4]。

1.4.1国外研究现状
据文献[5]介绍，相贯节点最早的研究是1948年由前西德开展的钢管节点极限强度试验。

从上世纪50年代开始各个国家也相继投入人力物力加入到管节点的研究中。

1961年日本学者对钢管桁架中的节点性能和变形进行了研究[5]。

1967年日本学者鹭尾健三、东乡武三、三井宜之对T型和K型节点进行过实验研究并给出了节点强度计算公式[6]。

美国石油协会于1969年10月颁布了第一部有关海洋平台的设计建议(API-RP-2A)[4]。

1970年，学者Eastwood与Wood 在Sheffield大学对矩形管和圆管的焊接接头进行试验与理论研究。

同年日本学者Y.Kurobane采用有限差分法分析了T型和K型的圆钢管节点，并描绘出腹杆和弦杆交汇处的应变分布[7]。

1971年Stelco公司出版了世界上第一本管结
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构设计手册[3]。

1972年美国焊接协会将钢管结构纳入了它的规范之中(AWS D1.1)。

1973年Y.Kurobane率先对圆钢管疲劳性能进行研究，并给出了疲劳强度与静力强度比值的计算公式[8]。

1976年，Gibstein发表了关于T型节点平面内弯曲的研究报告[9]。

1977年，牧野熊二对X、T、Y、K四种形式的节点进行大量分析，提出了管节点三种典型的荷载—位移曲线[10]。

1981年，Sparrow发表了轴力和双向弯矩作用下T型节点的试验结果[11]。

1983年，Y.Makino对圆钢管K型节点腹杆局部屈曲进行了分析，指出这种破坏模式将大大降低节点的承载力，并给出了一个折减系数的计算方法[12]。

1984年，Y.Kurobane采用回归方法，整理73个X型节点、50个T型节点、398个K型节点试验结果，提出了能够覆盖弦杆直径60-510mm、钢材屈服点270-500MPa的圆钢管平面节点强度计算公式，成为日本建筑学会(AIJ)、欧洲管节点委员会制定设计指南的依据[13]。

1984年，Y.Makino在其博士论文中发表了20个空间KK型节点的实验结果，并指出间隙值的不同会导致空间节点产生不同的失效模式[14]。

1986年，牧野熊二对平面K型节点进行了轴力和平面内弯矩双重作用下的实验研究，给出了承载力的预测公式[15]。

同年，日本学者五岛英志和小川厚治对平面K型焊接节点桁架进行了试验研究[16]。

1990年，Scolla进行了TT型空间节点的实验，并指出了TT型节点的破坏模式与KK型的相同[17]。

1992年，Xiao-Ling Zhao 对T型冷弯方管相贯节点在弯矩和轴力共同作用下的静力性能进行了大量的实验研究[18]。

1994年，Paul又根据58个空间节点试验的结果，采用多元回归方法得到TT型和KK型节点承载力的强度修正系数μ的计算公式，指出管节点空间影响作用比较大，μ值在0.5～1.3范围内[19]。

同年M.M.K.Lee和Wilmshurst 通过建立非线性有限元模型计算了空间KK型节点承载力[20]。

1995年，Cofer 等人讨论了一个建立在有限单元法基础上的用于焊接管节点分析的新模型，该模型使用壳单元、体元和过渡元，考虑了大变形和弹塑性，用连续介质损伤力学方法模拟裂缝的形成和扩展[21-22]。

1997年，Lee又发现空间KK型节点在反对称荷载作用下存在两种破坏模式，分别为主管在间隙处横向和径向破坏[23]。

1998年，J.J.Cao用塑性铰线理论求解了方钢管节点受轴压力作用的承载力[24]。

1999年E.M.Dexter对平面K型圆钢管节点进行了有限元分析，对变形特点和极限承载力做了探讨[25-26]。

2000年，F.Gazzola通过有限元回归，给出了搭接K型节点的一种承载力计算公式[27]。

同年，Xiao-Ling Zhao指出可利用变形极限的方法确定方钢管节点无极值点情况的节点极限承载力[28]。

2001年，T.C.Fung对完全搭接节点进行了实验研究，并初步探讨了各个几何尺寸对节点承载力的影响[29-30]。

2003年，N.Kosteski利用塑性铰线方法计算方管板管连
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接的节点承载力 [31]。

2004年，F.R.Mashiri对腹杆为圆管弦杆为方管的T型节点在受平面内弯矩作用的情况，提出了一种塑性铰线模型[32]。

2005年,Lee对海洋平台管节点弦杆内部设置加劲肋进行了有限元分析，提出了一种理论模型能够较准确地计算节点的承载力[33]。

2006年，A.Schumacher对承受反复荷载的焊接K型圆钢管桁架进行了实验研究，探寻节点的疲劳性能，指出桁架疲劳特性的重要性，确定桁架三维尺寸时不仅要满足静力承载力条件，更要计算疲劳强度，尤其要满足热点强度的要求[34]。

同年Gho对圆钢管完全搭接平面节点进行了实验研究，总结出此类节点的四种破坏模式[35]。

2007年，X.Qian研究了不同的焊缝材质对裂纹的影响，指出焊缝材质的不协调将改变局部的塑性发展，并用Patran软件进行前处理，后导入到WARP3D软件中进行材料变形和断裂过程分析[36]。

2008年,T.Bjork进行了焊接K型方钢管在低温条件下的实验研究，并进行了有限元模拟[37]。

与此同时，国际管结构协会(CIDECT)和国际焊接协会(IIW)的管结构焊接接头分会(XV-E)从1991年至今共发布了8本空心管结构的设计指南，这些研究成果均推动了管结构的蓬勃发展[38]。

1.4.2国内研究现状
我国对钢管节点的研究起步较晚，但学者们也做了不少的研究工作。

1996年哈尔滨工业大学的武振宇就国内外在直接焊接钢管节点静力工作性能方面所进行的研究做了介绍和评述，并在分析比较各种研究成果的基础上，对以后的发展趋势提出了一些看法[4]。

1997年，武振宇、张耀春用坐标转换法解决了曲壳有限元法中曲面交线处位移连续性问题。

该法被编入一个基于修正拉格朗日描述(U.L法)的曲壳非线性有限元程序中，对一个直接焊接的钢管节点进行了分析，并讨论了该法的优点[39]。

1998年，武振宇，谭慧光对不等宽T型方管进行有限元分析并据此对当前提出的几种塑性铰模型的合理性做了探讨[40]。

同年，武振宇，张耀春对T型焊接钢管节点进行了试验研究，并采用三维退化曲壳元离散钢管，并建立了三维退化曲壳元的U.L.描述和在该描述下钢材的本构关系[41]。

1999年武振宇采用有限元方法分析了不等宽的T型方钢管节点，研究了材料应变硬化和大挠度效应对承载力的影响，结果表明，应变硬化对承载力影响不大，而大挠度效应降低了节点强度[42]。

同年，陈以一等人建立了直接焊接K型圆钢管节点的分析模型[43]。

2002年，武振宇在塑性铰线模型的基础上，建立了不等宽T型方管节点在腹杆轴压荷载作用下的刚度模型，推出了刚度简化计算公式[44]。

同年，武振宇，张耀春在Murray模型的基础上，推导了轴压力作用下倾斜塑性铰线承载力公式，建立了在弦杆轴向压力影响下，直接
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焊接T型方钢管节点抗轴压的塑性铰线模型[45]。

同年，武胜采用大规模参数分析手段研究了K型间隙方钢管节点的静力性能[46]。

2003年，张壮南和丁玉坤分别对K型、KK型直接焊接间隙方管节点和K型、KK型直接焊接搭接方管节点进行了实验研究，并校核了有限元分析结果，验证了有限元结果的可信性[47-48]。

同年，陈以一、陈扬骥对KK、XK和TK节点进行了试验研究，分析了试件的破坏机理，根据实验结果对钢结构规范公式做了初步地探讨[49]。

2005年，向斌、刘冲分别对K型、KK型间隙方钢管节点和间隙方圆管K型、KK 型节点的静力性能进行研究，指出方钢管空间节点的空间效应对节点承载力影响很大[50-51]。

同年，王斌对上海忠旗网球中心屋盖所用的曲弦杆平面K型和空间KK型圆钢管节点做了足尺实验，指出曲弦杆节点的承载力与直弦杆节点的承载力相差不大[52]。

2006年，吴捷对苏州国际博览中心中用到的空间KK型和双钢管并联KK型搭接节点进行了足尺试验，后对大尺度的试验方法做了深入探讨[53]。

同年，陈誉根据12个平面搭接K型节点的实验结果，总结出了4种失效模式，并用实体单元模拟结果与实验结果进行了对比[54]。

2007年，王渊阳对间隙K型方管桁架静力工作性能进行了试验研究，研究了不同跨高比下管桁架的性能，利用简化模型和壳元模型对试验进行了模拟[55]。

同年，沈冲、何小辉分别分析了平面Warren和空间Warren桁架的静动力性能，建立了一系列的实用分析模型并做了对比[56-57]。

同年，陈鹏对轴向往复荷载下T型方钢管节点滞回性能进行了研究，结果表明T型节点的延性好，抗震性能佳[58]。

2008年，高洋对K型间隙方管节点进行了滞回性能的试验研究，研究表明K型间隙方管节点在往复荷载作用下，滞回曲线饱满，耗能面积大，延性好，抗震性能好 [59]。

1.5本文研究工作
本课题采用有限单元法对直接焊接圆钢管平面与空间节点进行了系统的参数分析，意在找出节点各个几何变量对节点静力性能的影响并将空间与平面节点的承载力进行对比分析。

具体工作如下：
(1)对平面K型和空间KK型圆钢管间隙节点进行静力性能分析，主要包括弦杆
受与不受轴压力影响对比、探寻各几何参数对节点承载力的影响规律、并对空间与平面节点的承载力做了对比；
(2)对平面搭接K型和空间平面内搭接KK型圆钢管节点进行静力性能分析，与
间隙节点分析思路相同，此外对搭接隐蔽部分施焊与不施焊和节点反向加载对节点承载力的影响进行深入探讨；
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(3)对空间平面外搭接KK型圆钢管节点进行静力性能分析，主要包括空间与平
面承载力对比并提出了一种等效方法计算节点的承载力。

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第2章节点有限元分析模型
2.1计算程序简介
ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型、多用途的有限元分析(FEA)软件，融结构、流体、电磁场、声场和热场分析于一身，广泛应用于土木、地质、矿业、材料、机械、仪器仪表、热工、电子、水利等领域分析和科学研究，颇受各界好评，目前，它已成为国际上最流行的有限元分析软件之一，在历年的FEA 评比中都名列前茅。

ANSYS软件具有其他有限元软件所不具备的功能，如APDL参数化设计功能。

APDL是ANSYS Parametric Design Language的缩写，它是一种类似FORTRAN 的解释性语言，提供了很多程序设计语言功能。

利用APDL的程序语言与宏技术组织管理ANSYS的有限元分析命令，可以实现参数化建模、施加参数化荷载和求解以及参数化后处理的显示，从而实现参数化有限元分析的全过程。

本文就是采用APDL语言，并利用ANSYS强大的非线性分析功能，对管节点进行大规模的参数化分析。

2.2有限元模型的建立
在进行节点有限元分析时，计算模型的建立及所建模型的准确性是有限元分析的前提，模型的单元选取和网格的划分及边界条件设定是有限元分析的关键。

本文借助文献[20][60]对本文的模型进行调试，并验证了ANSYS进行节点分析的可行性和准确性，为今后的大规模参数分析做好了准备。

2.2.1节点模型的单元选取
本模型选取四节点有限应变壳单元SHELL181对管节点进行离散，此单元适用于薄壳到适度厚壳，每个节点六个自由度，分别是X、Y、Z方向线位移自由度和绕X、Y、Z方向的转角自由度。

可同时考虑线性、大转角和大应变的非线性分析，并且ANSYS也推荐使用此单元解决高度非线性和收敛困难的问题。

2.2.2有限元模型中的若干问题
进行管节点分析计算，选取何种计算模型将直接影响到计算结果。

本节通
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过对一典型节点进行诸影响因素比较论证，从而确定合理的计算模型。

典型节点为：弦杆截面D180×5，两腹杆截面相同D50×3.5，腹弦杆间的夹角060θ=，腹弦杆宽度比0.28β=，腹弦杆厚度比0.7τ=，间隙宽度l g =20mm，钢材的屈服
点为y f =235MPa，泊松比0.3υ=，弹性模量E=2.03×105MPa。

2.2.2.1 边界条件和加载方式的确定
节点从结构中分离出来，怎样才能反映出节点在结构中的受力特性，如何选取才能更接近实际。

因此，节点的边界条件和加载方式对于节点的分析至关重要。

本文选取了四种管节点分析最常用的边界条件和加载方式，并对它们进行对比，确定其中一种作为本文进行大规模参数分析的形式，文中讨论的边界和加载形式如图2-1所示。

其中边界C 在腹杆端部施加大小相等方向相反的轴向荷载。

a） b）
c） d）
图2-1 四种边界条件
图2-2 四种边界条件的荷载位移曲线
由图2-2可知，其中横坐标是腹杆端部沿腹杆轴向的位移去除弦杆本身的刚体位移，纵坐标是腹杆的轴力。

各种节点的破坏模式基本相同，边界条件A。