大型复杂铸钢节点有限元论文
45°轴承组合支座铸钢节点试验和有限元分析
ＫＥＹ Ｗ ＯＲＤＳ ａ ｓ ｍｂｅ ａ ｔｓｅ ｌｊｉｔ ｃ ｎ ａ ｔｎ ｎｉｅ ｒｔ ｆ ｉ ｌｍｅ ｔａ ａｙ ｉ ｓ ｅ ｌｄ ｃ ｓ—ｔｅ ｏｎ ｏ ｔｃ ｏ ｌ ａｉｙ ｉ ｔ ｅｅ ｎ ｎ ｌｓｓ ｎ ｎ ｅ
１ 铸 钢 ｃ节 点 ； 一轴 承 ；一 铸 钢 Ａ 节点 ２ ３
４ 一铸 钢 Ｂ节 点
中 国航 海博 物 馆建 筑 的 中央 帆体 分 为 主 、 结 从
构体 系 ， 主结构 体 系包 括 ： 箱 梁 和三 铰 拱 ； 结构 边 从 体 系包括 ： 侧幕墙 立柱 、 面两 向正 交月 牙形桁 架体 屋 １ 算 法简 介
ｃ ｍ ｐｏ ｉｅ ｓ ｐｐｏ ｔｏｆｔ ｏ ｓｔ ｕ ｒ ｈｅ Ｃｈｉ Ｓ ｉｉ ｕ ｅ ｍ ｉ ｎａ ａ ｌ ｎｇ Ｍ ｓ ｕ ｎ Ｓｈａ ｇｈａ ａ ｅ ｉ ｕｌｔ ｄ ａ ｄ ａｎ ｌ ｚ ｄ ａ ｔｃ ａ ｌ ｎ ｉ ｒ ｓｍ ａ ｅ ｎ ａ ｙ ｅ ｐ ｒ ｉｕｌｒｙ， ｔ ｍａｔ ｒａ ｈｅ ｅ ｉｌ
ＡＢ ＴＲＡＣ Ａｓ ｏ ｅ ｏ ｈ ｅ ｓ ｏｎ ｔ ｐ ｓ ｔ ｅ ｃ ｓ ｔｅ ｏｎ ｓ ａ ｅ ｔ ｉｅ ｄ ｌ ｎ ｔ ｅ ｌｎ ｐ ｎ ｓ ａ ｅ Ｓ Ｔ ｎ ｆｔ ｅ ｎ ｗｅ ｔｊｉｔ ｙ ｅ ， ｈ ａ ｔｓｅ ｌｊｉｔ ｒ ｕｉｚ ｄ ｗｉｅｙ ｉ ｈ ｏ ｇｓ ａ ｐ ｃ ｌ ｓｒ ｃｕ ｅ． Ｔｈ ｎ ｌｓｓｏ ｈ ａｔｓｅ ｌ ｏｎ ｓ ｅｐ ｏ ｅ ｓｄ ｂ ｏ ｅｆ ｉｅｅｅ ｎ ｏ ｔ ｒ ｅａ ｓ ｈ ｈ ｐ ｔｕ ｔ ｒｓ ｅａ ａｙ ｉ ｆｔ ｅｃ ｓ—ｔｅ ｉｔｍｕ ｔｂ ｒ ｃ ｓｅ ｙ ｓｍ ｉ ｔ ｌｍｅ ｔｓ ｆｗａ ｅｂ ｃ ｕ ｅｔｅｓ ａ ｅ ｊ ｎ ｏ ｈ ｏｎ ｓｖ ｒ ｏ ｌｘ Ｂ ｉｉ ｌｍｅ ｔ ｎ ｌｓｓｓ ｆｗａ ｅＡＮＳ ，ｔ ｅｃ ｓ ｔｅ ｊｉｔ ｏ ５ｄ ｇ ｅ ｅ ｒｎ ｆｔ ｅｊ ｉｔｉ ｅｙ ｃ ｍｐｅ ． ｙ ｆ ｔ ｅｅ ｎ ａｙ ｉ ｏｔ ｒ ｎｅ ａ ＹＳ ｈ ａ ｔｓｅｌ ｏｎ ｓｆｒ４ ｅ ｒ ｅｂ ａｉｇ
大吨位铸钢支座力学性能有限元分析
大吨位铸钢支座力学性能有限元分析
1有限元分析在大吨位铸钢支座研究中的应用
许多研究文献证明，有限元分析可以用于研究大吨位铸钢支座的力学性能。
有限元分析（FEA）是一种非常有效的数值分析方法，它能够对高度复杂的几何结构进行数字模拟，从而详细描述支座的细节。
有限元分析可以在大吨位铸钢支座的研究过程中的应用有很多，例如计算材料的力学性能及支座的结构强度，以及支座的刚度及无懈可击性等等。
2FEM对大吨位铸钢支座的模拟研究
学术界也在对利用有限元方法模拟进行大吨位铸钢支座力学性能研究进行大量研究。
有关研究利用有限元分析（FEM）技术进行模拟，并进行建模和分析，以确定支座的力学性能。
在此基础上，研究者们可以以较高的精度，确定铸钢材料对于不同块状结构及其接头处所受到的力学作用，并计算出在特定应力环境下支座的变形量等。
3研究结果及其意义
运用有限元方法模拟大吨位铸钢支座的研究，发现它具有较为理想的结构牢度。
该研究结果提供了一种新的指导方针，可用于改善大吨位铸钢支座的设计，禁止结构的预期寿命延长，从而发挥了积极的作用。
研究还发现，有限元方法不但可以实现准确的分析，而且可以改进整个设计过程，提高设计效率。
有限元研究有助于提高设计的正
确性，使设计过程更加高效，为提高支座的力学性能提供了重要的科学依据。
综上所述，有限元分析技术是一种非常有效的数值分析工具，可以提供准确、可信和精确的结果，为大吨位铸钢支座力学性能研究提供了有力的支持，从而为钢材材料设计和生产提供科学依据。
有限元在冶金铸造、机械领域的分析与应用
冶金设备作为冶金技术的载体，本身具有大型、重载、高速、连续、自动化、精密化等特点，而且往往工作在高温、重载、高粉尘、大冲击等恶劣条件下，许多性能无法采用实物试验的方法获得。
近年的很多关键技术集中表现处要解决的关键问题是结构设计及力学问题，包括强度问题、运动学及动力学问题和传热及热应力问题，因此CAE技术在冶金设备的设计研究上也得到了广泛的应用。
炼铁CAE技术目前在炼铁生产中取得的主要成果有：采用有限元法建立高炉复杂料面及中心装焦条件下的煤气流场和压力场解析模型、高炉固态炉料流场和势函数解析模型，分析高炉中心装焦条件下的高炉状况。
利用CAE技术计算分析高炉冷却水的稳定性、流速、冷却水管与冷却壁本体的间隙及冷却的高度对长寿高效高炉冷却壁寿命的影响。
采用有限元法对高炉炉体结构进行应力分析等。
炼钢CAE 技术目前在炼钢生产中取得的主要成果有：溅渣护炉状态下转炉温度场的模拟分析；废钢预热电炉内部的温度场分析；吹氩钢包内钢液的流动状态计算和实际测定；中间包的热状态的模拟计算；结晶器内连铸坯热弹塑性应力有限元数学模型的建立；连铸小方坯凝固传热与应力分析耦合数学模型的建立；坯壳与结晶器壁间气隙的大小和分布有限元分析；结晶器磨损对坯壳凝固行为和力学行为的影响分析；连铸弯月面区域凝固传热有限元模型的建立等。
轧钢目前钢铁工业中 CAE技术运用最广泛的领域就是轧钢生产。
随着计算机技术和软件水平的不断提高， CAE模拟已成功地代替了大部分轧制物理模拟，人们采用有限元数值模拟技术已成功地对各种轧制过程进行了三维解析与模拟，有效地用于参数优化、产品质量预报和设备设计，判断变形过程是否可行或合理，并由轧件尺寸形状预报和力学模拟转到金属组织性能预报和控制。
浇注系统浇注系统的关键是模具设计，模具的工艺参数直接影响着铸件品质和性能。
通过CAE 模拟可迅速的改进模具参数，降低各类生产成本，缩短产品生产、研发周期，提高效率。
* 浇注钢水流速、混合浓度分析* 浇注钢水温度、固化温度、内应力分析* 浇注凝固过程缩孔缩松缺陷预测分析模型导入充型固化数值模拟和优化，是铸造工艺不可或缺的流程环节，在最为经济的条件下，以最优的设计方案，提高铸件的质量，降低废品率，指导实际生产，降低铸体的生产成本。
复杂铸钢节点受力性能试验研究_王永泉
第39卷第1期2009年1月 东南大学学报(自然科学版)JOURNAL O F SOU THEAST UN I V ERS ITY (N atural Science Edition )V ol 139N o 11Jan .2009复杂铸钢节点受力性能试验研究王永泉 郭正兴 罗 斌 张 晋 顾洪波(东南大学土木工程学院,南京210096)摘要:为掌握某机场连接楼桁架结构中铸钢节点在最不利设计工况下的受力性能,采用有限元数值分析方法并结合试验手段,对具有12根多方向支管空心铸钢节点的受力性能进行了研究.试验反力架设计为自平衡受力钢框架体系,试验荷载为112倍最不利设计工况荷载,采用12台液压千斤顶进行了3次同步分级加载,测试了铸钢节点核心区和各支管的应力及主要支管的端部变形.测试结果显示,加载过程中应力变化均呈线性,且卸载后主要支管端部变形以及各测点应变均能够恢复初始值.铸钢节点在试验荷载下仍处于弹性受力阶段,测试结果与有限元分析结果基本吻合.结合有限元分析与试验手段可全面把握复杂铸钢节点的应力分布规律及极限承载力,并判定其在最不利设计工况下的安全度.关键词:铸钢节点;试验;多支管;有限元;极限承载力中图分类号:TU 39213 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2009)0120047206Exper i m en t a l study on m echan i ca l perfor mance of co m plex ca st steel jo i n tW ang Yongquan G uo Zhengx ing L uo B in Zhang J in G u H ongbo(School of C ivil Engineering,Southeast U niversity,N anjing 210096,China )Abstract:To fully grasp the m echanical perfor m ance of the cast steel join t w ith 12branch p i pes un 2der the m ost unfavo rab le conditions,w h ich is used in an air port ter m inal structure,both experi m ent m eans and the finite elem ents m ethod w ere em p loyed .The experi m ental coun terfo rce fram e w as de 2signed as self 2balancing steel fram e system ,the test load is 112ti m es of the m ost unfavorable design load,and the hydraulic synchronous m ulti 2stage loading system w as em p loyed has load ing 3ti m es .The stress variation and the end defor m ation of the cast steel join t w ere m easured .The test results in 2dicate that the stress variation is linear,and the defor m ation of each m easu ring point can reset initial value after un loading .The cast steel joint is still in the range of elasticity under the test load .The re 2sults of fin ite elem ent analysis are consisten t w ith the experi m ental data .A s a resu lt,com bining test w ith finite elem ent m ethod can fully grasp the stress distribution law of the com p licated jo int,and the security of cast steel joint can be esti m ated .Key words:cast steel joint ;experi m en t ;m ulti 2b ranch p ipe;finite elem en t ;ulti m ate strength收稿日期:2008205220. 作者简介:王永泉(1981—),男,博士生;郭正兴(联系人),男,教授,博士生导师,guozx 196508@.引文格式:王永泉,郭正兴,罗斌,等.复杂铸钢节点受力性能试验研究[J ].东南大学学报:自然科学版,2009,39(1):47-52. 近几年,伴随着国内大型会展中心、体育场、飞机场等公共建筑的大量修建,大跨度钢结构的结构形式越来越新颖,构造越来越复杂,带来了连接节点形式的多样化.为避免采用传统焊接工艺在复杂节点区域产生较大的残余应力,并满足结构受力、构造和施工需要,铸钢节点在大跨空间钢结构中的应用越来越广泛[1-2].鉴于铸钢节点的大量应用,国内外学者已经开始对不同形式铸钢节点的力学性能、承载力试验以及有限元分析方法进行了研究[3-9],为编制国内的铸钢节点技术规程积累了大量的资料.本文结合某机场连接楼部位复杂铸钢节点进行了多方向、大吨位铸钢节点的实物加载试验研究,介绍了满足空间多支管循环加载的方法,并将试验结果与有限元分析结果进行了对比分析.同时,结合弹塑性分析所得出的荷载-位移与荷载-应力曲线确定了该铸钢节点的极限承载力.1 试验背景某机场连接楼钢结构形式复杂,采用了大跨度的管桁架结构形式,在其主桁架中部与混凝土柱相连的支座部位连接杆件多达12根,杆件内力较大且节点区应力复杂.考虑到焊接节点将带来较大的结构次内力,该支座部位桁架节点采用了铸钢节点形式(见图1).由于该节点位于结构的重要位置,且在不同工况条件下节点应力变化幅度大,其承载能力直接影响到整个结构的安全性.因此,需对该节点进行受力性能研究,该铸钢节点的力学性能见表1.图1 铸钢节点支管编号表1 铸钢节点的力学性能铸件壁厚/mm 屈服强度/M Pa 抗拉强度/M Pa断后伸长率/%冲击功/J ≤50≥300500～650≥22≥55>50≤100≥260500～650≥22≥55>100≤160≥260500～650≥22≥40>160≥240500～650≥22≥40 注:牌号为Gs 220M n 5N;热处理状态为正火. 通过铸钢节点实体模型(见图2)承载力的有限元分析能够全面考查其应力分布,且不受加载吨位限制,可进行极限承载能力分析并判断其安全性.但有限元分析无法准确考虑材料的不均匀性、本构关系的不确定性、几何尺寸偏差、构造细部、内部铸造缺陷及残余应力等因素,所以有必要进行足尺试验,实测节点在试验荷载下的应力状态,验证有限元分析结果.因此,采用有限元分析并结合试验手段对该节点受力性能进行研究.试验中,测试铸钢节点的应变及变形,并与有限元分析结果进行对比,能够更加全面地了解铸钢节点在试验荷载下的应力分布规律.图2 铸钢节点有限元模型2 试验内容及测点布置2.1 测试内容 根据有限元分析与设计要求,确定出试验荷载为112倍最不利设计工况下的荷载.测试内容主要包含两大部分:①支杆和核心区的应力应变;②主要支杆的端部变形.212 测点布置根据测试要求、有限元初步分析结论及圣维兰原理,确定出应变及变形测点的布置原则,力求能通过测点数据反映铸钢节点的力学行为,同时能够有效地捕捉到节点上的应力极值,并能大致了解节点应力分布规律及变化趋势.试验时,根据不同测试部位和应力应变的变化特征,采用单向应变片测试各支杆的应变、三向应变片测试核心区的应变[10];采用百分表测试铸钢节点核心支杆端部的变形.各支管单向应变片的布置见图3.图3 各支管单向应变片测点布置(单位:mm )铸钢节点各支管交汇的核心区应变复杂且应力变化梯度大.由于其应力迹线复杂,难以通过布置单向应变片测试其应力状态,因此采用三向应变片测试核心区域的应变,然后根据理论计算公式84东南大学学报(自然科学版) 第39卷 σ12=E 2ε1+ε31-ν±11+ν2(ε1-ε2)2+2(ε2-ε3)2(1)推算出应变花所测平面内σ1及σ2.在每根支管根部沿管径布置4组三向应变片,同时,在a 0,a 1,a 2支管的两外侧面各布置3组(见图4).图4 a 0,a 1,a 2支管三向应变片测点布置由于a 0,a 1,a 2支管的加载力大,根据节点的实际受力状态,以铸钢节点的球铰支座处为不动点,对其端部沿各管件轴向变形采用百分表进行监测(见图5).图5 a 0,a 1,a 2支管变形测点布置根据测试需要,总计布置了58片单向应变片,49组三向应变片,共107个应变监测,3个变形测试点.3 试验加载3.1 加载反力架设计 根据试验加载框架的设计原则:在试验最大荷载作用下,加载反力架需要满足强度和刚度要求,并保证有足够的安全储备,还必须兼顾提供各支管加载牛腿(千斤顶反力作用面)的定位.本次试验最大加载力为最不利设计工况荷载的112倍,加载吨位大,加载杆件多达12根且方向复杂.经分析比选,将反力架设计为自平衡体系,在各支管平面内的加载反力梁均设计为箱形截面,同时为保证箱形梁不出现钢板的局部屈曲,选用30mm 厚钢板制作并在千斤顶加载点处设置加劲肋.试验结果证明,该自平衡加载反力架满足了多方向、大吨位加载的需要(见图6).图6 铸钢节点加载312 试件制作铸钢节点在工厂加工完成之后,对每根铸钢件支管用钢管行接长,以便于加载千斤顶的布置.试件制作完成后,对铸钢件进行了超声波探伤.待试件运至实验室后,组拼加载反力架,并在接长的钢管末端焊接封头钢板,作为千斤顶施加压力的加载面.3.3 加载设计该铸钢件在最不利荷载工况下,各支杆所受的荷载均为压力,因此加载方式并不复杂,通过在各支管端面与反力架箱形梁之间布置千斤顶,并保证其与加载端面垂直即可实现加载(见图6).其中,支管a 0的加载设备为250t 液压千斤顶,支管a 1,a 2,a 3,a 6为150t 液压千斤顶,支管a 11为10t 机械千斤顶,其余各支管均采用23t 液压千斤顶,各支管试验加载值及截面见表2.表2 各支管试验加载荷载支管编号试验荷载/kN支管截面a 02280<245mm×40mm a 11019<245mm ×30mm a 21154<245mm ×30mm a 31163<127mm ×25mm a 462<127mm ×25mm a 570<127mm ×25mm a 61163<127mm ×25mm a 762<127mm ×25mm a 870<127mm ×25mm a 9179<127mm ×25mm a 10179<127mm ×25mm a 1112<127mm×25mm94第1期王永泉,等:复杂铸钢节点受力性能试验研究 正式加载之前先进行预加载,循环3次[10]以消除节点间隙等不利因素对测试结果的影响.正式加载亦采用循环3次加载,每次循环分为12级并采用同步逐级加载,为使结构在荷载作用下的变形得到充分发挥并达到基本稳定,每级荷载保持3 m in后采集应变和变形数据.每次循环卸载后再次读取数据,确定残余应变和残余变形量.4 试验成果分析4.1 测试结果分析 有限元数值分析结果显示,在试验荷载作用下各支管的应力均处于弹性范围以内,并且3次循环加载测得的各支管测点处应变值均呈线性变化,因此可根据σ=Eε计算出支管各测点的表面应力.由于各支管受力状态仅为轴向压力,各测试截面的测点应变值相近,a,a1,a2支管仅绘制了测试截面处夹角为90°的2个测点应力随加载等级变化的曲线,见图7(a)、(b),支管a3～a11仅绘制了测试截面处的单测点应力随加载等级变化的曲线(见图7(c),ai2n 表示a i支管测点n).测试结果显示,支管a的最大压应力为15619 M Pa,a1为12611M Pa,a2为17616M Pa,a3～a11各支管的最大压应力为22418M Pa,加载过程中各测点应力随加载等级基本呈线性变化.另外,由图7(a)、7(b)可以得出,各测点截面处4个应变片所测得的应力结果有差异,其主要原因包括铸钢件浇铸过程中难以保证各支管截面的壁厚处处相等,另外,加载过程中千斤顶难以精确对中,各支管截面存在偏心力矩的作用.核心区的表面应力状态为双向应力,采用三片直角式应变花[10]测得各测点的应变值后,根据变形条件和广义虎克定律,由式(1)[10]计算出各测点的第一主应力(σ1)和第二主应力(σ2).然后采用畸变能密度准则σr4=12[(σ1-σ2)2+(σ2-σ3)2+(σ3-σ1)2](2)计算其等效应力,并与AN SYS中V on M ises等效应力计算结果进行对比.试验所测得的数据为平面应变,据此推导出的σ1和σ2为平面主应力,因此计算测点处的等效应力时,式(2)中的σ3取值为0,而σ1和σ2则取3次循环加载所得主应力的平均值.测试结果显示核心区的应力随加载等级的变化基本呈线性变化,铸钢件核心区各测点的应力在图7 各支管随加载等级应力变化曲线(单向应变片)试验工况下均处于弹性范围以内,最大等效应力为21016M Pa.图8(a)表示核心区4个主要测点的等效应力随加载等级的变化曲线,图8(b)表示其中2个测点的主应力σ1和σ2随加载等级的变化曲线.根据测试结果,绘制了铸钢节点a,a1,a2支管的端部沿支管轴向变形随加载过程的变化曲线(见图9).结果显示,各支管端部的变形随加载过程基本呈线性变化,且变形量大小关系为Δa0>Δa2 >Δa1,符合实际受力状态.412 试验结果与有限元对比分析根据铸钢节点的几何尺寸建立AN SYS分析模型,取试验荷载进行分析.为便于对比,仅根据各个支管实际单向应变片测点位置提取有限元分析结果,并将分析结果与试验值进行比较,对比结果见表3.05东南大学学报(自然科学版) 第39卷图8 核心区随加载等级应力变化曲线图9 支管端部变形曲线表3 计算结果与试验结果比较支管编号计算应力/M Pa实测应力/M Pa 实测应力与计算应力比值a 0-80104-114191144a 1-50137-52161104a 2-57102-43170177a 3-244142-213180187a 4-17189-25131141a 5-19124-16110184a 6-244115-224180192a 7-17184-21131119a 8-181968-21101111a 9-22136-30191138a 10-22139-45152103a 11-11875-1191101 在试验荷载作用下,a 0,a 4和a 9支管的实测应力超过计算应力40%左右,其余除a 10支管的实测应力超出较多外,各支管的实测应力与计算应力符合较好.总体来说,有限元计算值与试验值较为接近,仅个别支管应力差别较大,这主要是计算模型与试验模型有差异,试验中存在偏心加载且a 9,a 10支管较长所致,同时,试验测得的应力值为铸钢节点表面应力值,测试结果受铸钢件自身制作质量的影响较大.413 节点极限承载力试验结果与有限元数值计算结果对比分析显示,有限元分析能够作为对铸钢节点极限承载能力判断的补充.因此,基于上述有限元模型计算该铸钢节点的极限承载力,计算过程中定义铸钢节点材料的屈服强度为300M Pa,并服从V on M ises 屈服准则.材料的应力-应变曲线定义为具有一定强化刚度的二折线模型,即双线性随动强化模型.按照等比例加载原则,施加10倍的试验荷载于铸钢各支管上,计算过程中采用自适应下降的收敛技术跟踪极值点.由于各级荷载作用下核心区的节点应力与各支管相比均较大,因此根据铸钢节点弹塑性有限元分析结果,仅绘制出核心区典型节点随加载等级变化的应力曲线及变形曲线(见图10).图10 核心区铸钢节点弹塑性分析结果铸钢节点达到极限承载力时表现为变形过大,无法继续承载.因此,根据核心区节点随加载等级的变形曲线转折点,确定出该铸钢节点的极限承载力为试验荷载的217倍,为最不利工况设计荷载的3124倍,根据《铸钢节点应用技术规程》C ECS 235:2008的铸钢件设计要求,该铸钢节点设计较为合理,具有足够的安全度.15第1期王永泉,等:复杂铸钢节点受力性能试验研究5 结论1)根据试验测试结果可得,铸钢节点各支管端部主要受轴力作用,且最大应力值均小于钢材的屈服强度.试验测得的σ1,σ2值在加载过程中基本呈线性增加,个别测点的主应力与加载的线性关系较差,测试过程中受试验误差影响较大,但这些测点的主应力与铸钢件屈曲应力相比较小,不影响铸钢节点的极限承载能力的判定.2)3次循环加载试验结果显示,卸载之后铸钢件各测点应变值均能恢复其初始值,该铸钢件核心支管的端部变形在加载过程中也呈线性变化,卸载之后支管端部变形均能恢复其初始值,说明试验荷载作用下铸钢节点仍处于弹性受力状态.3)试验测得铸钢节点各支管的同一测试截面处4个单向片测点应力值略有差异,主要由于铸钢件支管测试截面处难以保证壁厚完全相同,且加载时反力架有所变形及存在偏心加载所致.4)有限元计算分析结果与试验结果略有差异,但基本能够反映出铸钢节点在荷载作用下的应力整体分布状况以及随加载过程的变化趋势,便于设计人员对铸钢节点的整体把握,因此,对重大工程的铸钢节点承载能力宜结合有限元分析和节点试验最终确定.参考文献(References)[1]Tong L ew ei,Zheng H ongzhi,C hen Y iyi.C om parisonbet w een a cast steel joint and a w elded circular hollowsection joint[J].W elding in the W 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铸钢相贯节点承载力的有限元分析
张 向 荣
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（ ｈｎ ＩＰ ｎｅｎ ｔ ｎｌ ｎ ｉｅｒ ｇ ｏｐ ｒｔ ｎＢ ｉｎ １ ０ ８ ，ｈｎ） Ｃ ｉａＰ ＲＩｔｒａｉ ａＥ ｇｎ ｅｉ Ｃ ｒｏａｉ ， ｅ ｉｇ ０ ０ ９Ｃ ｉａ ｏ ｎ ｏ ｊ
表 ２ 铸 钢 相 贯 节 点 二 极 限 承 载 力 值
极 限承 载力， ８８ ． ８ ８ ． ７ １． ７ １． ０８５ ０ ８ ２９６ ２９６ ０ ８ ０８５ １． ５ ７ ７ １． ５
Ｉ 工程 建 设 与 设计
ｕ１ Ｉｗ 打 Ｇ 正 Ｉ ｅ 鼬 ｒ ｃ ‘
铸 钢 相 贯 节点 承 载 力 的有 限元分 析
Ｆｉ ｔ ｅ ｎ ｎｉ Ｅｌｍｅ ｔ ｅ Ａｎａｙ ｉ ｆＣａ ｔ ｔ ｅ ｔｒ ｅ ｔｏ ｏ ｎ ｕ ｄ ｒ ｔ ｔ ｏａ ｌ ｓｓ ｓ ｅ ｌｎ ｅ ｓ ｃ ｉ ｎ Ｊ ｉ ｔ ｎ ｅ ａ ｉ Ｌ ｄ ｏ Ｓ ｌ Ｓ ｃ
子信￣） ａ ｇ ｉ ｇｏｇ ｐ ｒ ｅ。 ｚａ ｘａ ｒｎ ＠ｉ ． ｔ Ｊｎ ｎ ｐｎ
６ ８
钢 管的端 部 。由于使用 Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ分析时 ，若不施 加约 束 ， 程
序会认 节 点 白 不平衡导致计算无法进行。为此在主管 的一端 端
—
—
壁堕复焦塑
ｆ
部 施加三 方向约束 ， 以使 结果反映 节点 的真实 受力状 态 。
Ｏｌｍｐ ｃ ｔ ｄｕ ｂ ｕ ｉ ｇ Ｅ ｉｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｙ ｉ ｓａ ｉ ｍ ｙ ｓ Ｆ Ｍ ｓ ｉ ｓｅ ． ｎ ｃ
【 关键词】 铸钢相贯节点； 有限元分析； 极限承载力 【 ｅ ｗ ｒｓ ｃｓｓ ｅｉｔ ｓｃｉ ｊｉ ； ｉｉ Ｅｅ ｎＡ ａ ｓ ；ｌ ｔ ｅｒ ｇ ａ ａｉ Ｋ ｙ ｏｄ ｌａｔｔ ｌ ｅ ｅｔ ｎｏｎ Ｆｎｔ ｌ ｅ ｎｒ ｏ ｔ ｅ ｍｅ ｔ ｎ ｌ ｉ ｕｔ ｅ ａｉ ｃｐｃｔ ｙｓ ｉ ｂ ｎ ｍａ ｙ 【 中图分类号 ｌ ｕ １ ． ｘ ３１ ４ 【 文献标志码】 Ａ 【 文章编号］０ ７９ ６ （０ １０ ．０８０ １０ ．４ ７２ １ ）６０ ６ ．２
铸钢节点有限元分析和实例探讨
铸钢节点有限元分析和实例探讨一、前言铸钢节点作为一种新兴的节点形式，具有结构多样化、外形美观、良好的加工性能以及良好的适应性，已广泛应用于大跨度空间钢结构，大型钢结构建筑、桥梁等工程中。
在国外，特别是在德国、日本等发达国家，铸钢件节点已得到非常广泛的应用，国内近年来在一些大型钢结构建筑、桥梁等工程中逐渐得到推广应用。
如国家体育馆钢屋盖工程、郑州国际会展中心、广州歌剧院钢结构工程、安徽体育中心主体育场、无锡科技交流中心等工程中关键部位均采用铸钢节点。
由于铸钢节点受力和造型相当复杂，因此，分析模型的正确建立以及对分析模型边界条件的真实模拟是节点受力分析的难点和关键点。
需要根据实际情况建立节点的实体三维模型，并根据一定理论依据对模型的边界条件做相应的简化假定，以求在简便计算的同时最大限度的模拟实际中复杂的边界条件，从而完成对铸钢节点的受力分析。
本文结合某主题馆钢结构工程中的铸钢节点设计实例，对大型铸钢节点的设计基本原则及受力进行了初步研究与分析。
通过ANSYS研究铸钢节点在设计荷载作用下应力的发展、变化过程及节点变形，对其承载安全性作出判断，在此基础上得到一些有益的结论。
二、铸钢节点选取1、节点选取本文所研究的节点位于张弦桁架下弦杆、腹杆及拉索的交汇点，下弦杆与五根支管相连。
该节点是由多根钢管以不同的空间角度汇聚于一点，构造形式比较复杂，因此节点受力复杂，加工制作难度极大。
鉴于该节点受力的特殊性和重要性，有必要对其在设计荷载作用下工作状态进行分析。
根据设计方案该节点为铸钢节点，材料为ZG310-570铸钢，质量执行《一般工程用铸造碳钢》（GB11352）标准中的有關规定，详见下表1：2、基本假定由于铸钢节点所用钢材具有良好的线弹性性能，结合《钢结构设计规范》（GB50017—2003）的规定，本文采用以下分析假定[1]：（1）只考虑节点在弹性状态下的单独受力状态；（2）不考虑几何非线性；（3）在节点与拉索连接处，采用传力杆，以传力杆传递拉索拉力.拉索的拉力以面力形式施加于传力杆端面，受力模型见下图1中7号杆.三、铸钢节点有限元分析1、计算模型对于比较复杂的模型在ANSYS中建模非常困难，可以采用Pro/E、SolidWorks、UG、AUTOCAD等CAD制图软件进行实体建模，利用它们和ANSYS 之间的数据接口导入ANSYS中。
复杂铸件三维温度场有限元分析
文章编号 100426410(2003)0120054205复杂铸件三维温度场有限元分析马兆敏1,沈炜良2,李文娟3(11广西工学院电控系,广西柳州 545006;21广西大学,广西南宁 530004;31山东大学,山东济南 250061)摘 要:对柴油机缸盖铸件三维温度场进行有限元分析,得到从浇注到室温全过程的温度场,计算结果表明三维温度场的数值模拟能反映铸件冷却过程温度场的变化,与实测结果相符合。
并评价了三种落砂温度工艺方案,结果表明落砂时间对铸件残余应力的大小有很大影响。
关 键 词:铸造;凝固过程;有限元;温度场;AN SYS中图分类号:T G 213 文献标识码:A收稿日期:2002207211作者简介:马兆敏(19752),女,山东兖州人,广西工学院电控系助教,工学硕士。
0前言 某厂生产的6105柴油机缸盖在生产、使用过程中出现开裂现象。
缸盖产生裂纹的原因比较复杂,在铸造过程中形成的残余应力是其中原因之一。
本文利用AN SYS 有限元分析计算软件,对缸盖铸件凝固温度分布变化进行计算机仿真,研究开箱温度对铸件残余应力分布规律的影响,为实际铸件的残余应力分析和选择合理的降低残余应力工艺提供基本依据。
并在生产现场对6105型柴油机缸盖铸造凝固过程温度场进行测量,以验证模拟计算的可靠性。
16105柴油机缸盖铸件简介 6105型缸盖为六气缸柴油机缸盖。
铸件为箱型,内部设有进排气道、冷却水腔、润滑油孔道、起动阀、安全阀、压力测量装置等。
铸件最薄部位尺寸为5mm ,最厚部位尺寸为30mm ,属于高强度薄壁复杂铸件。
由于其结构复杂,工厂中生产分两段铸造而成。
材质为H T 250,每段铸件外型尺寸为430mm ×254mm ×104mm ,重量约为40kg 。
机加工后缸盖铸件的实物图如图1所示。
图1缸盖铸件机加工后的实物照片2铸件凝固过程三维温度场有限元分析211连续温度场数学模型 铸件凝固过程基本上可看成一个不稳定导热过程。
重庆渝北体育馆铸钢节点有限元分析
点应 力集 中的措 施 ， 为设计 提供依 据 。
关键 词
铸钢 节点 ， 限元分 析 ，应 力集 中 有
Ｔｈ ｉ ｉ ｅ ｅ ｔＡｎ ｌ ｓｓｏ ｓ－ ｔ ｅ ｏ ｎ ｓ ｅ Ｆ ｎ ｔ Ｅｌｍ ｎ ａ ｙ ｉ ｆＣａ ｔＳ ｅ ｌＪ ｉ ｔ ｅ
ｆ ｒ Ｙｕ ｅ ｍ ｎ ｓｕ ｎ Ｃｈ ｎ ｑ ｎ ｏ ｂ ｉＧｙ ａ ｉｍ ｉ ｏ ｇ ｉｇ
Ｃ ． Ｌｄ ，ｈｎｈｉ ００ ２ Ｃ ｉａ ３ Ｓ ａｇａ Ｂ ｏＹ ｒｕ ｏ ，ｔ． Ｓ ａｇａ ２ ０４ ，ｈｎ ） ｏ ，ｔ．Ｓ ａｇａ ２ ０ ７ ， ｈ ； ．ｈ ｎｈｉ ａ ｅＧｏｐＣ ．Ｌｄ ，ｈ ｎｈｉ ０ ９ １ Ｃ ｉ ｎ ａ
Ａ ｓ ａ ｔ Ｓｍｅｇ ｎ ｃ ｓ ｓ ｅ ｊｉ ｓｗ ｒ ａ ｏｔｄｉ ｔｅｄ ｓ ｎｏ ｕ ｅ Ｇ ｍｎｓ ｍ ｉ Ｃ ｏ ｇｉｇ ｗ ｉ ｂ ｔ ｃ ｏ ｉ ｔ ａｔ ｔ ｌｏｎ ｅｅ ｄｐｅ ｎ ｈ ｅｉ ｆ ｂｉ ｙ ａｉ ｈ ｎｑｎ ， ｈｃ ｒ ａ ｅ ｔ ｇ Ｙ ｕ ｎ ｈ
（． １ 同济大学建筑工程系， 上海 ２０９ ； ． ００２ ２ 上海机械施工有限公司， 上海 ２ ０７ ； ． ００２ ３ 上海宝冶集团有 限公司 ， 上海 ２０ ４ ） ０９ １
摘
要 为 了深入 了解重庆 渝北体 育馆屋 盖 结构设 计 中铸 钢 节点 的受力 性能 并确保 结构在 设计 荷栽 下
第２ ６卷第 ４期 ２１ ００年 ８月
铸钢节点的研究及在大跨度空间结构中的应用
ＡＢ Ｔ Ｓ ＲＡＣＴ Ｃａ ｔｓｅ ｌ ｏｎｓｈ ｖ ｅ ｎ ｗｉｅｙｕ ｅ ｎ ｔ ｅｗｏ ｌ ｕ ｏ ｔ ｅｒｅ ｃｌｅ ｔｐ ｒ ｒ ａ ｃ ． ｔｉ ｎ ｌｚ ｄ ｓ ｔｅ ｉｔ ａ ｅｂ ｅ ｄ ｌ ｓ ｄｉ ｈ ｒｄ ｄ ｅｔ ｈ ｉ ｘ ｅｌｎ ｅｆ ｍ ｎ ｅ Ｉ ｓａ ａｙ ｅ ｊ ｏ ｔ ａ ｈ ｅ ｔ ｒ ，ｈ ｕ ｌ ｙｃ ｎ ｒ ｌａ ｄ ｗｅｄｎ ｅ ｈ ｉｕ ，ｈ ｅｉｎ ｃｉｅｉｎ ｏ ａ ｔｓｅｌｊｉｔ ａ ｄ ａ ａｙ ｉ ｆｔ ｅ ｈ ｔｔ ｅｆａｕ ｅ ｔ ｅｑ ａｉ ｏ ｔｏ ｎ ｌｉ ｇｔｃ ｎｑ ｅ ｔ ｅｄ ｓｇ ｒｔｒｏ ｆｃ ｓ ｔｅ ｎ ，ｎ ｎ ｌ ｓｓｏ ｈ ｔ ｏ ＦＥＭ ｎ ｈ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｔ ｄ ｎｔ ｅｃ ｓ ｔｅ ｏｎ ｓ Ｉ ｈ ｎ ，ｏ ｕ ｇ ｓｉｎ ｒ ｒｓ ｎｅ ｎｔ ｅｐ ｏ ｌｍｓ ａ ｄｔ ｅｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌ ｕ ｙｏ ｈ ａ ｔｓｅｌ ｉｔ． ｎｔ ｅｅ ｄ ｓ ｍｅｓ ｇ ｅ ｔ ｓａｅｐ ｅ ｅ ｔｄ ｏ ｈ ｒ ｂｅ ｓ ｊ ｏ ｏ ａ ｔｓｅ ｌｊｉ ｔ ，ｏ ｂ ｏ ｖ ｄ， ｉｈ ｍａ ｅ ａ ｒｆｒ ｎ ｅ ｆ ｒ ｃ ｏ ｓｎ ａ ｔｓｅｌｊｉｔ ｆｒ ｌｒ ｅ ｍｏ ｅｎｚ ｔ ｎ ｆｃ ｓ ｔｅ ｏｎ ｓ ｔ ｅ ｓ ｌｅ ｗｈｃ ｙ ｂ ｅｅ ｅ ｃ ｏ ｈ ｏ ｉｇ ｃｓ ｔｅ ｏｎ ａ ｇ ｄ ｒ ｉａｉ ｏ ｏ
工 程设 计人 员应 用 于工 程 实 际 之 中。但 是 ， 与工 程 应 用相 比 ， 铸 钢节 点 的力 学 性 能 和 承 载力 研究 还 对
世博会主题馆铸钢节点有限元分析
世博会主题馆铸钢节点有限元分析所有节点均采用国际通用的有限元分析软件ANSYS对其各节点进行弹性分析。
单元的选取根据节点实体分析和形状极其不规则的要求，选取了可以适应于发展塑性、蠕变、应力刚化、大变形和大应变的SOLID92进行有限元分析。
每个单元有10个节点，每个节点有3个自由度，单元位移模式为二阶。
钢材的基本参数如下：铸钢件的物理性能指标可如下取值：弹性模量E=206×103（N/mm2）；剪变模量G＝79×103（N/mm2）；线膨胀系数 ＝12×10-6/℃；质量密度ρ＝7850kg/m3。
表3.2.1 铸钢的强度设计值（N/mm2）三、边界条件与荷载对各节点其约束形式确定其边界条件详见各节点，荷载选取最不利的内力组合进行验算，详见下面各节点分析。
四、分析准则有限元分析主要考虑了Mises应力分布，并根据应力分布结果对节点安全性作出评价。
五、节点有限元分析过程：1、拉索与ZXHJ连接节点1）节点模型及内力节点几何模型见下图，表中给出了最不利组合下各杆件的内力。
拉索与ZXHJ连接节点（1.35D+0.98L）表12）有限元网格的划分网格划分主要采用有限元程序的智能自由网格划分功能，在网格划分前对网格尺寸进行整体控制。
其有限元模型见下图节点有限元模型13）边界条件与荷载约束施加在杆件1和杆件3外侧截面上，约束杆件1外侧的X、Y、Z向位移，约束杆件3外侧的Y、Z向位移而达到释放杆件3轴向变形的效果。
根据最不利组合计算结果，杆件尺寸和轴力大小具体取值见表1；铸钢管的壁厚按照受力和铸钢壁厚的要求选取，拉索连接板的壁厚按照与销轴连接受力相匹配的原则取为140mm。
为模拟销轴传力，拉索连接板处与销轴的连接做了如图处理1 VOLUMES TYPE NUM4）有限元分析结果MNMX节点整体应力分布云图2从图中可以看出，大多杆件的应力比都比较小，应力不超过100N/mm2，受力最大处的应力约150N/mm2，内部设置的加劲板最大应力约100N/mm2，均小于铸钢件的屈服强度。
大型铸钢节点的工程应用和分析
点 受 力性 能 的 影 响 程 度 。在 参 考 国 内 外技 术 文 件 和 本 工 程 节 点 实 际 情 况 的 基 础 上 ， 出铸 钢 节 点质 量 控 制 方 面 的 提
航 站楼 铸 钢 节 点 的 分 析 ， 绍铸 钢 节 点 的 形 式 及 其 设 计 基 本 原 则 ， 析 铸 钢 材 料 的性 能 ， 合 理 选 用 铸 钢 材 料 提 供 介 分 为
依 据 。 采 用 畸 变能 密度 准 则作 为 强 度 准 则 ， 出铸 钢 节 点 强 度 判 别 准 则 。利 用 ＡＮ ＹＳ有 限元 程 序 ， 析 铸 钢 节 点 给 Ｓ 分
ａ ａｙ ｅｔ ｅｌｗ ｆｓｒｓ ｉｔｉｕ ｉｎｏ ｈ ａ ｔｓｅ ｌ ｏｎ ｓｕ ｉｇ ｆ ｉ ｌｍｅ ｔａ ａｙ ｉ．Ｉ ｄ ｉｏ ｎ ｌｚ ｈ ａ ｏ ｔｅ ｓｄ ｓｒ ｔ ｆｔ ｅｃｓ—ｔｅ ｉｔ ｓｎ ｉ ｔ ｅｅ ｎ ｎ ｌｓｓ ｎ ａ ｄｔ ｎ，ｂ ｓ ｄｏ ｈ ｂ ｏ ｊ ｎｅ ｉ ａ ｅ ｎ ｔｅ
ｂ ｈ ｖｏ ｆｔ ｅ ｏｎ Ｓｉ ｆｒｅ ．Ｗ ｉｈｒ ｆｒｎ ｅｔ ｅｈ ｉａ ｏ ｕ ｎｓｐ ｂｉｈ ｄ ｂ ｔ ｔｈ ｍｅａ ｄａ ｒ ａ ａ ｄｗｉ ｅ ａ ｉｒｏ ｈ ｉｔｉ ｎｅ ｒｄ ｊ ｔ ｅｅｅ ｃ ｏｔ ｃ ｎｃ １ ｃ ｍｅ ｔ ｕ ｌ ｅ ｏ ｈａ ｏ ｎ ｂ ｏ ｄ， ｎ ｔ ｄ ｓ ｈ ｔ ｅｒａｉｔ ｉ ａ ｉｎ ｏ ｈ ｏ ｓｒ ｃｉｎｄ ｔｉ ｆｒｔ ｅｐ ｏｅｔ ｕ ｇ ｓｉｎ ｎ ｆｂ ｉａｉｎｑ ａｉ ｏ ｔｏ ｆ ａ ｔｓｅ ｌ ｈ ｅ ｌ ｉ ｓｔ ｔ ｆｔ ｅｃ ｎ ｔｕ ｔ ｅａｌ ｏ ｈ ｒ ｊｃ，ｓ ｇ ｅ ｔ ｓｏ ａ ｒ ｔｏ ｕ ｌ ｙｃ ｎｒ ｌ ｓ—ｔｅ ｓｃ ｕ ｏ ｏ ｏ ｃ ｔ ｏ ｃ
复杂受力状态下大型铸钢节点的性能研究
了空间多支管铸钢 节 点 的 受 力 性 能 ， 进行铸钢节点 足尺试验 ， 设计了合适的自平衡加载装置 ， 测试重要 部位的应力 。 田春雨等 等
０ 引 言 铸钢节点已经在国内外建筑中广泛应用， 如日 本名古屋体育馆 ， 德国斯图加特机场 ， 天津奥林匹克 体育中心及广州国际会展中心等 。 国内外很多学者
１］ 探讨 都对铸钢节点进行了力学性能研究 。 顾敏等 ［
拟了铸钢节点的典型缺陷并利用有限元分析推断铸 钢节点带 缺 陷 工 作 状 况 对 节 点 受 力 性 能 的 影 响 程
科研开发
复杂受力状态下大型铸钢节点的性能研究
２ ３ ４ 寿建军１， 关富玲 孙亚良
（ 浙江八达建设集团有限公司 ， 杭州 ３ 杭州 ３ １． １ ０ ０ ０ ２； ２．电联工程技术有限公司 ， １ ０ ０ １ ６； ） 浙江大学建工学院 ， 杭州 ３ 绍兴市特种设备检测院 ， 浙江绍兴 ３ ３． １ ０ ０ ５ ８； ４． １ ２ ０ ０ １ 摘 要： 某钢框架结构中的铸钢节点 ， 体积巨大 ， 自 重 较 大， 且 受 力 状 态 复 杂。现 有 理 论 无 法 完 全 考 虑 节 点 制 作 过 程中的各种缺陷 ， 也无法分析其在复杂受力状态下 的 力 学 性 能 。 通 过 应 力 等 效 原 则 ， 将实际复杂受力状态简化成 简单的轴向拉压状态 ， 以方便加载试验 。 利用 ＡＮ 验证 Ｓ Ｙ Ｓ 软件分析实际受力状态和简化受力状态下的节点性能 ， 将试验结果与分析结果进行比较， 验证数值分析的 简化过程的合理性 。 对铸钢节点足尺模型进行三向加 载 试 验 ， 正确性 ， 进而评价节点的受力性能和安全性 。 关键词 ： 钢框架结构 ；铸钢节点 ；受力状态等效 ；有限元分析 ；加载试验
复杂管桁架铸钢节点有限元分析与试验研究
・
会
讯 ・
弓式 预 应 力 钢 结 构 研 讨 会 于 ２ １ ０ ２年 ５月 ２ —２ ５ ７日在 宁 波 召 开 。本 次 会 议 的 主 办 单 位 为 中 国钢 结 构 协 会 ， 办单 位 为北 承 京 新 智 唯 弓式 建 筑 有 限公 司 。来 自科 研 、 计 、 料 及 设 备 供 应 、 户代 表 等 单 位 的 １ ０ 名 代 表 出 席 了 本 次 会议 。会 议 由 中 设 材 用 ０ 余
大拉力 和最大压 力的支 管 。
Ｅ３ 寿建 军 ， 富 玲 ， 亚 良 ， ． 杂 受 力 状 态 下 大 型 铸 钢 节 点 的 ３ 关 孙 等 复 性 能 研 究 口］ 钢 结 构 ，０ １ ２ （ ） １ ． ２ １ ，６ ７ ：２—１ ． ５ Ｅ］ 费 文 平 ． Ｇ ８１号 铸 钢 节 点 应 力 试 验 研 究 分 析 报 告 ［ ． ４ Ｚ ２— Ｒ］ 成
表 ５ 部 分 拟 合 曲 线及 １ ２倍 荷 载 应 力 （ １ ） ． 第 箱
１ 通 过 有 限元 应 力 分 析 与 实体 应 力 检 验试 验 ， ）
铸 钢节点 的安全性 得 到验证 ， 即在 设计 载荷作 用 下 ， 铸 钢节点所 受 的应 力 远 小 于铸 钢 材 料 屈 服强 度 值 ，
工程 的安全 性做 出合 理 的评 价 ， ４是部 分 应 变 测 表
２ 应 变 片 的安装 。应 变 片安 装 的基本 原 则 ： ． ） ａ 应变 片尽 量靠 近节 点 处 ； ． 变 片沿 铸 钢 管 环 向均 ｂ应
匀排 列 ｌ． 向应 变片 的布 置顺序 分别 为各 管 环 向 、 Ｃ三
科 研 开发
装配式铸钢节点试验研究与有限元分析
田 圈 圈 。 国
图３ 节 点 Ｂ 栽 系统 加
图１铸钢 节点位 置示意图
２ ．加载方案。 根据设 计 院提供 的计算文件 “ 节 点设计 内力” 根据应力 一 ，
节 点
致 的相似 比 （ 点和加载 节
位 置 的 长 度 尺 寸 缩 小 为
１， ／ 力缩小 为原来 的１ ） ２ ／ ， ４ 缩 尺后 Ｂ ｃ 点 的受 力模 、节
口 趋复 杂 ， 的焊接球 节点 、 传统 钢管相贯节点 等多种节点形式
坏， 对结构的受力性 能 、 施工工 艺 、 工程造价都有着相当大的影
响。因此 ， 具有 良好适 用性的铸钢节点形式越来越受到工程界 的青眯 。
２ ．对 比试验结 果和有限元数值计算结 果 ， 验证数 值分析
（ ） 二 试件准备 铸钢节点试验采用缩尺模型进行试验 ，根据中国工程建
２ １年第期） ０ （ ０ ３ｌ 总第１６ 期
中国高新 技术企业
Ｃ ｉ ａ Ｈｉ ｅ ｈ Ｅｎ ｅ ｐ ｉｅ ｈ ｎ 一ｒ ｅ ｔｒ ｒ ｓ ｓ
Ｎ ｏ ． ．０１ １２ ０
（ ｍｕ ｔ ｅ ＮＯ． ６ Ｃｕ ｌｉ ｔ ａｖ ｙ １ ） ３
装配式铸钢节点试验研究与有限元分析
史 宝和
（ 杭州市萧山区建筑业管理处， 浙江 杭 州 ３ １０ ） １２ ０
摘要： 文章运 用大型通 用有限元软件Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 对航 海博 物馆装 配式铸 钢节点 支座进行 真实工作 状态的模拟和分析 ， 同时
考虑材料 、 非线性 ， 接触 并通过试验进行验证 ， 明模型建立正确且 与试验吻合较好 ． 说 从而为工程设计 、 分析提供参考。 关键词 ： 装配铸钢 节点； 触非线性 ； 接 有限元分析
重庆渝北体育馆铸钢节点有限元分析
重庆渝北体育馆铸钢节点有限元分析罗永峰;韦艳娜;贾宝荣;王飞;仇玉宾【摘要】为了深入了解重庆渝北体育馆屋盖结构设计中铸钢节点的受力性能并确保结构在设计荷载下的安全性,根据设计要求对该铸钢节点进行了精细有限元分析,从而了解该铸钢节点在设计荷载下的受力特征以及弹塑性极限承载性能.铸钢节点弹塑性极限承载力分析表明,该节点圆弧过渡区域存在应力集中现象.着重研究了圆弧过渡半径对节点极限承载力以及圆弧过渡区域应力集中的影响,对该铸钢节点的应力集中状况进行优化分析,分析结果表明,适当选取圆弧过渡半径的大小,能够显著降低圆弧过渡区域的应力集中,延缓节点屈服破坏的进程,从而提高节点的承载能力.最后提出降低该铸钢节点应力集中的措施,为设计提供依据.【期刊名称】《结构工程师》【年(卷),期】2010(026)004【总页数】5页(P52-56)【关键词】铸钢节点;有限元分析;应力集中【作者】罗永峰;韦艳娜;贾宝荣;王飞;仇玉宾【作者单位】同济大学建筑工程系,上海,200092;同济大学建筑工程系,上海,200092;上海机械施工有限公司,上海,200072;同济大学建筑工程系,上海,200092;上海宝冶集团有限公司,上海,200941【正文语种】中文1 工程背景随着复杂钢结构的广泛应用,结构的跨度越来越大,形式日趋多样,传统的焊接球节点、钢管相贯节点等形式难以在构造及制作工艺上满足复杂的受力体系要求[1-3]。
随着铸造技术水平的提高,铸钢节点以其形式多样、造型优美、残余应力小、受力合理等优点在当前条件下能充分满足复杂钢结构节点的设计应力状态和受力要求,在国内外大型空间结构中得到了广泛应用[4-6]。
重庆渝北体育馆屋盖结构采用索桁架组合体系,每榀桁架下弦采用拉索,上弦采用方钢管,结构中心区设置六边形“钢芯结构”用来连接各榀桁架的上下弦,结构有限元模型如图 1所示。
屋盖结构中大多数节点采用钢管直接相贯焊接连接,而“钢芯”的六边形角点及中心节点采用铸钢节点,六边形角点位置如图 2所示。
大型铸钢圆筒件的铸造工艺设计及数值模拟本科毕业论文
摘要材料成型与控制工程专业本科毕业论文大型铸钢圆筒件的铸造工艺设计与数值模拟本科毕业论文（设计）摘要本文运用传统方法完成了对铸钢圆筒件的铸造工艺方案设计，包括分型面、浇注位置的选择、砂芯、各项铸造工艺参数的确定以及浇注系统、冒口、冷铁的设计。
根据铸件体积较大的特点，在铸件两侧设计了用两个内浇道同时对铸件进行浇注的浇注系统；在2个热节处安置冒口，并将冷铁配合使用来实现铸件的定向凝固。
建立了铸件的三维模型，用ViewCast软件模拟了铸钢件圆筒的充型和凝固过程。
模拟结果显示，在铸件靠近内浇道处会产生缩孔缩松缺陷。
根据数值模拟结果并结合理论分析，使用发热材料的方法来改进工艺，经过优化设计，最大程度地消除了铸造缺陷，从而获得了合适的铸造工艺方案。
关键词：铸造工艺；数值模拟；设计优化AbstractAbstractThe casting technological parameters of the Steel casting cylinder, including the parting surface, pouring position, pouting system, riser and chill were defined by using traditional methods in the paper. According to the casting characteristics of big shape, on both sides of the casting is designed with two runner which pouring the casting at the same time; calculating the volume of the riser in the hot spot, and with the use of cold iron to achieve directional solidification sequence of casting. The 3-D model of the casting was build and the simulation software, ViewCast, was employed to analyze the solidification process and filling process of the casting. The simulation result indicates that the shrinkage defects formed department within the sprue .According to the simulation result the original technological parameters, using the method of extending cold iron in the side of the cold iron, in the other side of the cold iron sets the gating system, and with the use of fever materials to the improve process, after several rounds of optimization design, the defects were eliminated to the greatest extent, obtaining the optimal technology program eventually. Keywords：casting process; numerical simulation; design optimization目录目录摘要 (II)Abstract (III)第1章绪论 (1)1.1 铸造成形加工技术的国内外发展 (1)1.1.1 国外发展状况 (1)1.1.2 国内发展情况 (2)1.2 计算机技术在铸造业的应用 (3)1.2.1 铸造模拟软件的概述 (3)1.2.2 计算机模拟的优点 (4)1.3 本文主要研究内容 (6)1.3.1主要研究内容 (6)1.3.2 拟采用的方法 (6)第2章大型铸钢圆筒件的传统工艺方案的设计 (9)2.1 铸件的结构特点及工艺要求 (9)2.1.1 生产条件 (9)2.1.2 主要技术要求 (9)2.2 零件结构的铸造工艺性 (9)2.2.1 铸件质量对零件结构的要求 (9)2.2.2 铸造方法的选择 (10)2.2.3 分型面的选择 (10)2.3 铸造工艺设计参数 (11)2.4 砂芯设计 (13)2.4.1 砂芯形状及分盒面的选择原则 (13)2.4.2 芯头设计 (13)2.4.3 砂芯的固定和定位 (14)2.4.4 芯骨 (14)本科毕业论文（设计）2.5 浇注系统的设计 (14)2.5.1 铸钢件浇注系统类型 (14)2.5.2 浇注系统结构尺寸的设计 (14)2.5.3 浇注系统引入位置的确定 (18)2.6 冒口的设计 (18)2.7 铸钢件冷铁的设计 (19)第3章铸件数值模拟及工艺的优化 (21)3.1 初始方案模拟结果与分析 (21)3.1.1 几何模型的建立 (21)3.1.2 凝固过程模拟及结果分析 (21)3.2 优化方案 (23)3.2.1 工艺改进 (23)3.2.2 凝固过程模拟及结果分析 (24)3.2.3 充型过程模拟结果与分析 (26)结论 (31)参考文献 (33)致谢........................................................................................ 错误！未定义书签。
铸造横梁结构改进有限元分析论文
铸造横梁结构改进有限元分析论文•相关推荐铸造横梁结构改进有限元分析论文1、前言平衡悬架是重型卡车底盘系统中重要的承载部件，主要由平衡轴支架、横梁、中后桥、板簧组件和上下推力杆等组成。
卡车在行驶过程中，平衡悬架通过连接在横梁的推力杆传递驱动力、制动力及其相应的反作用力矩，从而保证汽车的正常行驶。
横梁作为内部连接车架纵梁和传递上推力杆作用力的重要结构件，其结构不仅影响重卡的载重，同时对重卡的综合使用及维修保养有着重要的影响。
铸造横梁不仅体积大、结构复杂，铸造难度也大，而且技术要求高，考虑到生产周期及工装费用，为降低成本，本文采用有限元分析方法，运用Hypermesh软件，对铸造横梁进行强度CAE分析，进而指导设计生产。
2、铸造横梁有限元模型建立平衡悬架在汽车行驶过程中，受力较大的工况为：(1)汽车转向时，车身扭转过程中，V型推力杆对平衡悬架的侧向推力;(2)车辆启动及制动过程中，下推力杆对平衡悬架结构的推力。
运用Hypermesh软件对平衡悬架系统总成进行前处理。
根据某型重卡的设计载重量要求，满载情况下，平衡悬架支撑结构在转弯和制动的极限工况时，受自身重力G，侧向推力0.6G，制动力1G。
其受力情况具体如表1所示。
约束车架两端的自由度，分别在V 推支座处加载表2 的载荷。
、铸造横梁强度分析3.1 材料参数铸造横梁的材料为QT500。
3.2 有限元分析结果通过对铸造横梁的强度分析，得到新、旧横梁的最小静态安全因子，结构件静态安全因子≥1时，该结构件达到强度要求。
可以看出，该铸造横梁的最小安全因子均大于1，满足强度要求。
但是，该铸造横梁，V型推力杆与它的连接孔为盲孔，根据其铸造公司反馈，铸造横梁在机加工过程中，盲孔加工困难，会大大增加横梁的废品率，导致生产成本增加。
考虑以上因素，现对该铸造横梁进行结构改进，并运用有限元方法对其进行验证。
4、新铸造横梁强度分析4.1 结构改进的铸造横梁现将铸造横梁V推支座处盲孔改成通孔。
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大型复杂铸钢节点有限元论文
摘要：由于铸钢节点中的铸钢管壁厚明显比其相连接的一般钢管壁厚要大，如本文中节点，铸钢节点壁厚最大40mm，其它与其连接的支管只有16mm，如此大的过渡必然形成薄弱区域，因此应采用有效措施以防止因过大的截面差而引起来的应力集中。
建议铸钢节点在制造过程中改善内外表面的粗糙度、支管与主管相贯线倒角段的光滑性、使节点承载力有更加可靠。
此外，还必须严格控制连接质量，确保节点安全。
一、前言
铸钢节点作为一种新兴的节点形式，具有结构多样化、外形美观、良好的加工性能以及良好的适应性，已广泛应用于大跨度空间钢结构，大型钢结构建筑、桥梁等工程中。
在国外，特别是在德国、日本等发达国家，铸钢件节点已得到非常广泛的应用，国内近年来在一些大型钢结构建筑、桥梁等工程中逐渐得到推广应用。
如国家体育馆钢屋盖工程、郑州国际会展中心、广州歌剧院钢结构工程、安徽体育中心主体育场、无锡科技交流中心等工程中关键部位均采用铸钢节点。
由于铸钢节点受力和造型相当复杂，因此，分析模型的正确建立以及对分析模型边界条件的真实模拟是节点受力分析的难点和关键点。
需要根据实际情况建立节点的实体三维模型，并根据一定理论依据对模型的边界条件做相应的简化假定，以求在简便计算的同时最大限度的模拟实际中复杂的边界条件，从而完成对铸钢节点的受力分析。
本文结合某主题馆钢结构工程中的铸钢节点设计实例，对大型铸钢节点的设计基本原则及受力进行了初步研究与分析。
通过ANSYS研究铸钢节点在设计荷载作用下应力的发展、变化过程及节点变形，对其承载安全性作出判断，在此基础上得到一些有益的结论。
二、铸钢节点选取
1、节点选取
本文所研究的节点位于张弦桁架下弦杆、腹杆及拉索的交汇点，下弦杆与五根支管相连。
该节点是由多根钢管以不同的空间角度汇聚于一点，构造形式比较复杂，因此节点受力复杂，加工制作难度极大。
鉴于该节点受力的特殊性和重要性，有必要对其在设计荷载作用下工作状态进行分析。
根据设计方案该节点为铸钢节点，材料为ZG310-570铸钢，质量执行《一般工程用铸造碳钢》（GB11352）标准中的有关规定，详见下表1：
2、基本假定
由于铸钢节点所用钢材具有良好的线弹性性能，结合《钢结构设计规范》（GB50017—2003）的规定，本文采用以下分析假定[1]：（1）只考虑节点在弹性状态下的单独受力状态；
（2）不考虑几何非线性；
（3）在节点与拉索连接处，采用传力杆，以传力杆传递拉索拉力.拉索的拉力以面力形式施加于传力杆端面，受力模型见下图1中7号杆.
三、铸钢节点有限元分析
1、计算模型
对于比较复杂的模型在ANSYS中建模非常困难，可以采用Pro/E、SolidWorks、UG、AUTOCAD等CAD制图软件进行实体建模，利用它们和ANSYS之间的数据接口导入ANSYS中。
本模型就是采用在AUTOCAD 绘制而成，在将实体模型保存为SAT格式的文件导入ANSYS中。
建立的CAD三维实体模型如下图2所示：
在有限元模拟时取节点最不利设计荷载组合工况为：1.2自重+1.4升温（30oC）+0.6X1.4活+0.6X1.4风，进行计算转换到铸钢节点各管上的面荷载如下表2所示：
2、单元选取
本文对节点进行有限元分析，采用的是ANSYS程序单元库中的三维实体单元SOLID92。
SOLID92单元为10节点四面体单元[2]，每个节点有UX，UY，UZ三个自由度，单元节点位移模式为二阶，更适于对不规则实体模型的分析，同时该单元还支持大变形、大应变以及应力刚化分析。
采用自由网格划分，对节点转角处适当加强网格密度，通过有限元程序的误差信息（能量百分比误差、单元应力误差、单元能量误差、应力上下限）确定网格划分是否满足要求。
3、网格划分
将CAD模型导入ANSYS中进行网格划分，由于钢结构节点一般都为不规则体，所以节点采用ANSYS单元划分器中的自由网格划分技术，自由网格划分技术会根据计算模型的实际外形情况自动地决定网
格划分的疏密，该节点一共划分为30789个单元，节点数为61574个。
模型单元划分如下图3所示：
4、约束加载
为反应节点的真实边界条件，计算时对下弦杆（管6）一端的各向自由度进行约束，另外一端只约束Y，Z方向的自由度，与下弦杆连接的其它几个支管分别加上轴向拉力或压力（转换成面荷载进行加载）。
索力通过反力转换作用在7号支管上，加载时仅考虑了铸钢节点连接杆件端所受的轴向力作用，忽略了连接端截面的弯距与剪力作用。
上图4为模型加载与约束图，各支管所加轴向荷载大小见表2。
5、有限元计算及结果分析
有限元分析中主要考察了节点的最大位移与Mises应力分布，根据钢材性能对节点的安全性做了评估，并对部分节点的进一步优化设计提出了建议。
把各支管面荷载加到铸钢节点上后，由于各支管相交复杂，首先在相交处发生局部变形和局部应力集中，但由于经过倒角处理，应力峰值并不是很高. 离开相交处后应力迅速下降.节点的鞍点和冠点处应力最大，首先屈服，但此时并不意味着节点立即破坏；随着荷载的逐渐增加，该点逐渐形成塑性区使应力重新分布，塑性区不断地向四周扩散，直到出现显著的局部塑性变形后，节点才最后达到破坏.节点从开始进入塑性到最后破坏的过程中，具有很强的塑性变形能力，强度储备很高。
从右图5铸钢节点的变形图、下图6主应力图5 变形图
云图以及下图7Von-Mises单元等效应力云图可以看出，整个节点在控制工况荷载作用下，应力水平总体上较低，最大等效应力分布在支管（腹杆）和主管（下弦杆）的交汇处，节点区应力最大只有215.2Mpa，小于屈服强度（300MPa），具有较大的安全储备，节点满足承载力条件要求。
在设计载荷作用下，经计算该铸钢节点相对于坐标原点的变形很小，节点环向与径向方向的位移较小，长度方向位移相对较大，体内各节点的最大位移矢量值不超过 1.75 mm.该节点处于小变形状态，符合线弹性分析的假定。
五、结论
通过以上对铸钢节点的有限元分析，可以得出以下结论：
1. 在设计荷载作用下，各节点的应力值都满足要求，都小于310Mpa，在各连接端交汇处应力集中现象比较突出，但总的来说节点的应力峰值仍然处于弹性范围之内，应力峰值区域比较集中、面积不大。
2. 各节点的强度有一定的富余，节点承载能力满足设计要求。
3. 在设计荷载作用下，节点的变形较小。
4. 拉索反力直接作用在支管7上，而拉索的拉力非常大，容易导致支管7首先受压破坏，建议在设计时，对于加大支管7的壁厚或者加大受压承载面积，以满足压力能顺利传递到主管上。
5. 由于铸钢节点中的铸钢管壁厚明显比其相连接的一般钢管壁厚要大，如本文中节点，铸钢节点壁厚最大40mm，其它与其连接的
支管只有16mm，如此大的过渡必然形成薄弱区域，因此应采用有效措施以防止因过大的截面差而引起来的应力集中。
建议铸钢节点在制造过程中改善内外表面的粗糙度、支管与主管相贯线倒角段的光滑性、使节点承载力有更加可靠。
此外，还必须严格控制连接质量，确保节点安全。
参考文献
[1] 郑州国际会展中心铸钢节点S211-1的受力特性分析《郑州大学学报（理学版）》2005年3月第37卷第1期；
[2] 张波，盛和太.ANSYS有限元数值分析原理与工程应用.北京：清华大学出版社，2005.9。