方钢管焊接空心球节点的有限元分析
矩形钢管焊接空心球节点的有限元分析
进一步通过有限元分析考察其承载能力的影响因素 ， 特别对管边长与球径之比 ／ － ￣／ ｏ不同的节点， 通过对大量计算结果的
拟合分析 ， 对现有承载力计算公式提 出了改进 。 关键词 ： 焊接空心球节点 ； 矩形钢管 ； 承载能力 ； 有限元分析
中图分类号 ：Ｕ ９ ． Ｔ ３ ２３ 文献 标识码 ： Ａ 文章编号 ：０ ８—１３ （０ ０ ０ ０ ４— ４ １０ ９ ３ ２ １ ）３— ４ ０
Ｆｎｔ ｌ ｎ ｎ ｌｓ ｆ ｈ ｅｄ ｄｈ ｌ ｗ ｓ ｈ ｒ ａ ｉｔ ｃ ｎ ｅｔｄｗｉ ｉｉ ｅ ｍｅ ｔ ａｙｉ ｏ ｅｗ ｌｅ ｏｌ ｐ ｅｉ ｌ ｏｎｓ ｏ ｎ ｃｅ ｔ ｅ ｅ ａ ｓ ｔ ｏ ｃ ｊ ｈ
ｒ ｃ ａ ｇ ｌ ｒ ｓｅ ｌｔ ｂ ｓ ｅ ｔ ｎ ｕ ａ ｔ ｅ ｕ ｅ
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能 与 承载能 力 的研究 均 针 对 配合 圆钢 管 的节 点 ， 我 国网架 规程 、 网壳 规程 刮也只 给 出了轴力作 用下 圆 钢 管焊 接球节 点 的设 计 公 式 ， 且仍 有 研 究 提 出各 而 种 新 的计算公 式 。而对 于矩形 钢 管 的焊 接空 心球节 点 承载 力计算 的研 究 才 刚 刚起 步 ， 缺少 可 供 工程 更
带内隔板的方钢管混凝土柱-钢梁节点受力性能的非线性有限元分析
带内隔板的方钢管混凝土柱-钢梁节点受力性能的非线性有限元分析周天华1，郭彦利1，卢林枫1，何保康2， （1.长安大学，陕西西安710061； 2. 西安建筑科技大学，陕西西安710055；）Email: zhouth163@摘要：本文利用三维实体单元，对“带内隔板方钢管混凝土柱-钢梁节点”建立了同时考虑几何非线性、高强螺栓连接的面—面接触非线性、各种材料非线性等因素的有限元理论分析模型，模拟分析了单调加载和低周反复加载时节点的受力性能，较为精确地分析了节点区应力分布和混凝土开裂情况，以弥补试验中无法直观地了解各细部受力情况和改变各种参数进行对比的缺陷；考察了轴压比大小、混凝土强度等因素对节点受力性能的影响，根据理论与试验结果分析，提出了设计和改进建议。
关键词： 方钢管混凝土柱；梁柱节点；受力性能；非线性有限元1 前言方钢管混凝土柱-工形钢梁框架结构以其诸多优点在国内已开始推广应用，带内隔板的矩形钢管混凝土柱与钢梁连接的节点构造已被我国《矩形钢管混凝土结构技术规程》 [1]列为推荐形式，针对这种构造形式的节点：1999~2002年同济大学做了方钢管混凝土柱与钢梁全焊接连接的模型试验和理论研究，包括模拟柱与梁的受拉翼缘连接的十字形单调拉伸试验、柱与梁连接的组合体试件的低周反复加载试验[2，3]；2001~2004年本项目以杭萧钢构股份有限公司的国家重点技术创新项目—“高层建筑钢—混凝土组合结构产业化”及杭州瑞丰国际商务大厦试点工程为背景，在国内首次进行了6个带内隔板的梁柱节点的足尺模型的拟静力试验和理论研究[4，5]。
本文利用ANSYS通用程序，建立同时考虑大变形的几何非线性、高强螺栓连接的面—面接触非线性、材料非线性等三重非线性因素的有限元理论分析模型，通过合理的单元选取和网格划分，结合试验研究[4]对梁柱对接焊接、栓焊连接两类节点模拟分析单调加载和低周反复荷载作用下的受力性能，以期达到如下目的：（1）较为精确地分析节点区应力分布，弥补试验中无法直观地了解各细部受力情况和改变各种参数进行对比的缺陷，（2）考察轴压比大小、混凝土强度等级变化等因素对节点单调加载及滞回性能的影响，（3）提出节点设计初步建议。
方钢管柱-H型钢梁端板连接节点性能的有限元分析
方钢管柱-H型钢梁端板连接节点性能的有限元分析王烽;翁维素;孙国柱;支宏钰;曹传海;刘宁;潘宏宾【摘要】应用大型有限元软件ABAQUS,建立方钢管柱-H型钢梁端板连接的三维有限元模型,考虑了几何非线性、材料非线性和接触非线性,均采用拟静力加载方式进行分析.试件模型为两个系列,一个为端板加劲肋厚度系列,另一个为在设置端板加劲肋条件下的柱壁厚度系列,通过ABAQUS的分析得到其滞回曲线、骨架曲线、能量耗散系数.模拟结果分析表明:加劲肋的设置与柱壁的厚度对节点性能的影响较大,通过数据分析对比,本文给出此节点的构造设计建议,即端板应设置加劲肋,其厚度稍大于梁的腹板厚度,而柱壁厚度建议8-10 mm.【期刊名称】《河北建筑工程学院学报》【年(卷),期】2019(037)001【总页数】6页(P7-12)【关键词】ABAQUS;方钢管柱-H型钢梁端板连接;加劲肋厚度系列;柱壁厚度系列【作者】王烽;翁维素;孙国柱;支宏钰;曹传海;刘宁;潘宏宾【作者单位】河北建筑工程学院土木工程学院,河北张家口 075000;河北建筑工程学院土木工程学院,河北张家口 075000;张家口建筑设计院有限责任公司,河北张家口 075000;河北建筑工程学院土木工程学院,河北张家口 075000;河北建筑工程学院土木工程学院,河北张家口 075000;河北建筑工程学院土木工程学院,河北张家口 075000;河北建筑工程学院土木工程学院,河北张家口 075000【正文语种】中文【中图分类】TU30 引言现在，钢框架结构在多层、高层和超高层建筑以及大跨度大空间结构应用方面具有广阔发展前景[1].与其他建筑结构相比，它具有强度大、刚度大、稳定性好、整体性好、重量轻、承载力高、抗震性能稳定、滞回性能好、施工效率高、周期短等优点[2]，在现代城市的建设中，其已经成为了目前最热门的结构型式之一.与其他国家相比，我国钢结构的相关方面发展比较慢，也比较晚，所以，我们对于钢结构的技术方面应加大力度研究，包括我们科研的水平、理论的水平、结构设计的技术等方面.目前钢框架梁柱节点连接的研究，许多学者广泛研究工字型梁和H型钢梁与H型钢柱的节点连接，相比之下，对于冷弯方管柱和H型钢梁连接节点研究较少[3-4].H型钢截面的x轴与y轴的刚度有较大的差距，其截面存在弱轴，根据其特点，所以用作柱子不是很经济.而方钢管柱截面的x轴与y轴刚度相同，与H型钢柱相比，其具有更好的抗扭性能，其平面外刚度大，更适合于作为框架柱，而且用钢量会更节省.但由于冷弯方钢管柱截面闭合，传统高强螺栓无法在单侧进行安装，一般需要现场焊接连接，所以本文分析模型为方钢管柱-H型钢梁端板连接，螺栓选用英国hollo-bolt单边螺栓螺栓，以解决闭口截面安装问题.此模型试件与其他连接相比，避免了现场的焊接，减少了焊接残余应力，采用的单边螺栓可以更加方便快捷的进行闭口截面连接，大大提高施工进度.1 模型试件尺寸表1 各试件尺寸试件编号柱壁厚度加劲肋厚度BASE8 mm8 mmJJLT08 mm0 mmJJLT108 mm10 mmZBT66 mm8 mmZBT1010 mm8 mm本试验选取典型的边柱节点作为研究对象，节点选取平面框架中梁柱反弯点间的组合体.模型为两个系列，一个为端加劲肋厚度系列，分别为JJLT0、JJLT8(即BASE)和JJLT10.另一个为设置端板加劲肋条件下的柱壁厚度系列，型号分别为ZBT6、ZBT8(即BASE)和ZBT10.所用加劲肋形式为三角形即63型[5]，长度240 mm，高度120 mm，端板厚度为14 mm，螺栓选用英国的Hollo-Bolt单边螺栓，型号为8.8级M16.柱高度定为1750 mm，梁长度定为1550 mm，具体尺寸见下表1，图1为BASE试件尺寸图和图2为JJLT10试件尺寸图.图1 JJLT0试件尺寸图图2 JJLT10试件尺寸图2 材料本构模型2.1 钢材本构关系模型图3 钢材的本构关系模型中所用的钢材(即钢管柱、H型钢梁与外伸端板)均采用Q235B钢材，在建模过程中，本文采用的本构关系模型为双线性强化模型，如图3所示，所以在节点的应力-应变曲线中不会出现下降段.ABAQUS中必须用真实应力和真实应变定义塑性数据，根据钢材拉伸实验的数据进行计算得到梁、柱、加劲肋和端板的本构关系数据，相关的数值见下表2，钢材弹性模量均取=2.06×105N/mm2，泊松比取0.3.表2 钢材本构关系数据试件部位屈服强度(N/mm2)极限强度(N/mm2)梁245380方钢管290410端板270390加劲肋3004202.2 螺栓本构关系模型螺栓选用英国的Hollo-Bolt单边螺栓，型号为8.8级M16普通型，螺栓屈服荷载110 kN，极限荷载137 kN，弹性模量2.1×105 N/mm2，泊松比0.3.模型中的螺栓进行简化建模，在建模过程中采用双线性强化模型作为螺栓的本构关系模型，如图4所示.图4 螺栓的本构关系3 建立模型的其他条件3.1 模型的约束边界条件模拟应该尽可能反应真实的受力情况.本文在柱顶设置一个参考点，然后将参考点与柱顶截面进行耦合，通过对柱顶的参考点来施加对柱子顶部的约束.柱底不再设置参考点，直接约束柱底的截面，柱底设置为铰接.3.2 加载方案加载的方式分为三步，第一个步骤：对螺栓施加螺栓预紧力；第二个步骤：对柱顶施加轴向力，其值取410kN；第三个步骤：对梁端施加竖向位移荷载.梁端的拟静力加载采用采用位移控制加载的方式，加载的前期，每级加载的增量步取5 mm，当梁端位移加载到30 mm的级别时，后续的加载，每级增量步为10 mm，一直加载到90 mm.3.3 网格划分在有限元模拟过程中，单元的类型和单元的疏密是对模拟精度和模拟耗费时长的很重要的因素.如果采用尺寸过大的网格，模型的计算结果精度就会较低，但若采用很小的网格尺寸，这就会导致软件花费更多的试件来计算，因此应综合考虑两者，选择合理网格密度.ABAQUS提供多种单元簇类型，本文模型采用其中的三维实体线性缩减积分单元C3D8R.其中以JJLT0试件和JJLT10试件的网格划分为例，如下图5和下图6所示.图5 JJLT0试件网格划分图6 JJLT10试件网格划分4 有限元分析数据4.1 滞回曲线在反复作用下结构的荷载-变形曲线，又称恢复力曲线.它反映结构在反复受力过程中的变形特征、刚度退化及能量消耗，是确定恢复力模型和进行非线性地震反应分析的依据.它的形状取决于结构和材料性能以及受力状态.这种曲线具有滞回性能并呈环状，称其滞回曲线[6].通过分析得到的节点滞回曲线，我们可了解节点在拟静力加载作用下的相关力学性能.本文节点的加劲肋厚度系列试件的滞回曲线对比图见下图7，柱壁厚度系列的滞回曲线对比图见下图8.图7 加劲肋厚度系列滞回曲线对比图图8 柱壁厚度系列滞回曲线对比图4.2 骨架曲线滞回环曲线上连接各轮循环加载峰值点的曲线称为骨架曲线，即滞回曲线的包络线.骨架曲线综合反映了模型承载力和变形的关系，是结构抗震性能的综合表现.加劲肋厚度系列的骨架曲线对比图见下图9，柱壁厚度系列的骨架曲线对比图见下图10.图9 加劲肋厚度系列骨架曲线对比图图10 柱壁厚度系列骨架曲线对比图4.3 耗能能力结构的耗能一般被认为是其延性的能量表达.当结构遭遇到地震时，地震能量就会输入结构，结构会对地震能量进行处理，结构通过材料摩擦，变形和局部损坏的方式对其吸收和耗散.所以结构吸收和耗散的能量越多，结构就会越安全，就不会轻易地被破坏.结构的滞回曲线越饱满，其所包围面积越大，则说明结构吸收和耗散的能量也就越多，结构的耗能能力也就强.为了判断结构的耗能能力，本文引用能量耗散系数E[7]和等效粘滞阻尼系数ξe，以图11为例，计算公式如下：能量耗散系数E：等效粘滞阻尼系数ξe：由公式处理得到加劲肋厚度系列和柱壁厚度系列的耗能能力两个指标，见下表3. 图11 荷载-变形滞回曲线表3 节点的耗能指标试件编号状态EξeBASE破坏状态2.1550.343JJLT0破坏状态2.3900.380JJLT10破坏状态2.1330.339ZBT6破坏状态1.9310.307ZBT8破坏状态2.5130.400 4.4 模拟结果分析两个系列试件的P-Δ曲线大体发展一致，随着加载位移的不断增加，结构的反力也在持续增大.加载的初期，滞回曲线基本上沿着直线上升，卸载时也基本上没有残余应变，该阶段内位移与荷载呈线性关系，表明结构各部分均处于弹性阶段.随着加载的位移增加，滞回曲线不再保持直线状态，但卸载时的残余应变仍然不是很大，但从此时开始，结构的刚度开始降低，节点进入了弹塑性阶段.位移荷载继续增大，结构的变形也越来越大，而结构的反力却出现增加很慢的现象，说明了节点进入塑性阶段.最后达到加载最大位移而停止，即为破坏.数据表明，两个系列试件的滞回曲线均呈现梭形，较为饱满，具有良好的抗震性能.设置加劲肋的试件JJLT8(即BASE)和JJLT10的滞回曲线比不设置加劲肋的试件JJLT0承载力提高较大，但是JJLT8(即BASE)与JJLT10模型的滞回曲线相差不多.ZBT12、ZBT14(即BASE)和ZBT16的承载力有较大的变化.从骨架曲线来看，加劲肋厚度系列试件中，JJLT0的极限承载力为51kN,JJLT8(即BASE)的极限承载力为73kN，JJLT10的极限承载力为75kN.相比于BASE，JJLT0的极限承载力下降了30.1%，JJLT10的极限承载力提高了2.7%.研究表明：设置端板加劲肋比不设置加劲肋的承载力提高较大，初始转动刚度也有较明显的增加.但是，节点端板的加劲肋设置后，改变加劲肋的厚度对节点承载力和刚度影响不明显.在柱壁厚度系列试件中ZBT6的极限承载力为58kN,ZBT8(即BASE)的极限承载力为73kN，ZBT10的极限承载力为85kN.相比于ZBT8试件，ZBT6的极限承载力下降了20.5%，ZBT10的极限承载力提高了16.4%.研究分析表明：设置端板加劲肋的柱壁厚度系列试件，其柱壁厚度的变化对节点承载力和初始刚度有较大影响.从耗能能力指标来看，加劲肋厚度系列试件中，无加劲肋的试件JJLT0的能量耗散系数和等效粘滞阻尼系数都比设置加劲肋模型的大，在设置端板加劲肋后，随着加劲肋厚度的增加，其耗能的两个指标也随之降低，但降低较小.在柱壁厚度系列的试件中，耗能能力的两个指标都随柱壁厚度的增加而增大.5 结论本文运用ABAQUS软件，建方钢管柱-H型钢梁的连接节点模型，研究两个变量对此节点的影响，一个为端板加劲肋厚度系列，另一个为在设置端板加劲肋后的柱壁厚度系列.根据分析数据，两个系列试件都有较好的抗震性能，并得到以下结论: (1)加劲肋厚度系列：设置端板加劲肋的节点比不设置加劲肋的节点性能更好，明显提高了节点的承载力与初始刚度，但加劲肋厚度的改变对节点的无明显影响，所以建议此类节点设置端板加劲肋，厚度稍大梁腹板厚度.(2)柱壁厚度系列：柱壁厚度的变化对节点性能影响较大，由分析可知，柱壁不能过薄，但也不能一味增厚，在本文条件下，本文建议柱壁厚度取8 mm～10 mm. 参考文献【相关文献】[1]刘林,陈晓光.我国钢结构产业现状及发展趋势浅析[J].建筑与结构计,2010,3(19):19～22[2]陈云波.我国钢结构现状与发展途径[J].建筑技术,1997,28(7):477～479[3]C.Málaga-Chuquitaype，ponent-based mechanical models forblind-bolted angle connections[J].Engineering Structures，2010：3048～3067[4]Huu-Tai Thai，Brian Uy.Finite element modelling of blind bolted compositejoints[J].Journal of Constructional Steel Research，2015：339～353[5]赵伟.梁柱外伸端板螺栓连接中若干问题研究[D].浙江：浙江大学，2006[6]顾强等著.钢结构滞回曲线及抗震设计.北京：中国建筑工业出版社,2008[7]中华人民共和国行业标准.建筑抗震试验方法规程(JGJ 101-96)[S].北京：中国建筑工业出版社，1997。
abaqus 方管节点有限元分析
题目：11[1.0] 有限元分析（任采用板单元或实体单元）。
主管截面为300×10，长度2000mm，两端铰接。
支管截面180×8，长度为700mm，端部作用均匀轴拉力。
支管与主管连接处，截面采用四边角焊缝，有限元分析可视为与主管完全连接。
另两种构造采用一块加劲钢板连接，加劲板截面为290×10，初定高度为180mm。
分别采用图b、图c 两种方式连接。
加劲板与主管、支管相接处均采用双面角焊缝连接，可视为与相连管的板件完全连接。
（1）建立有限元模型并说明模型中的主管端部铰接连接如何实现。
（2）设支管端部轴拉力为900kN。
采用弹性分析，计算3 种连接构造下的管内应力，输出应力图。
对应力分析结果进行解释，并说明何以接受计算输出结果的正确性。
（3）在图c 构造方式下，调整加劲肋高度（例如减少100mm 和增加100mm），观察连接附近应力变化，并讨论加劲肋高度的影响和合理高度的设置。
（4）设钢材为理想弹塑性体，屈服点为345MPa，试对连接方式（c）作弹塑性计算（取加劲板高度180mm），合理选择并输出荷载-变形曲线，并解释如何判定该节点到达极限承载力。
图a 图b 图c解答：（1）建立有限元模型并说明模型中的主管端部铰接连接如何实现。
建立几何模型采用ABAQUS有限元分析软件进行建模分析，钢节点模型采用C3D8R单元建立，钢材的弹性模量取E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3。
建模过程中，对于主管与支管的连接、加劲板与主管支管的连接，均视为完全连接，即在ABAQUS 建模过程中将主管、支管及加劲板组合为一个统一的构件。
采用C3D8R单元，通过矩形尺寸直接建立几何模型并组装，a、b、c三种模型分别如图1~3所示。
图1 无加劲板连接模式图2加劲板纵向布置连接模式图3加劲板横向布置连接模式划分网格采用structured方式进行网格划分，划分精度为0.03，划分网格后的模型如图4~6所示。
焊接空心球节点承载能力的有限元分析
焊接空心球节点承载能力的有限元分析摘要：对承受单向轴压的焊接球节点，本文在现有文献资料工作的基础上进一步通过有限元分析的方法分析了承载能力的影响因素。
通过对大量计算结果的数值分析，对现有的承载力计算公式提出建议性的改进。
关键词：焊接空心球节点；承载能力；有限元分析1 引言随着现代建筑立面多样化的市场需求,钢筋混凝土坡屋面的应用越来越多。
一般将坡度小于5%的屋面称为平屋面，坡度大于10%的屋面称为坡屋面。
坡屋面根据坡面组织的不同可以分为单坡屋面、双坡屋面、四坡屋面及多坡屋面等。
单坡屋面多用于房屋为外走廊,进深比较小的建筑;双坡屋面及多坡屋面则用于建筑立面要求比较丰富的别墅或其他建筑。
由于焊接空心球节点造价相对低廉、加工工艺较为简单，并且复杂节点中的所有汇交杆件轴线均通过球节点中心线，可以有效避免节点偏心受力，因此球节点在国内得到了广泛的应用。
在我国焊接空心球节点的应用和研究已经展开多年，但随着新型结构形式的出现以及更为复杂的结构体系的诞生，关于焊接空心球节点的研究理论也应该日臻成熟，因此关于焊接空心球节点的研究仍然十分必要。
2单向轴压作用下焊接空心球节点的承载能力由于单向轴压作用的焊接空心球节点受力较为简单，现有研究较多较成熟，并且我国网架和网壳结构规程均给出了轴力作用下圆钢管焊接球节点的承载力计算公式，但随着试验研究的进行，目前仍有各种新的计算公式陆续提出。
此外，根据实际工程经验，目前的规程公式对于直径较大且壁厚较薄的焊接空心球节点设计安全储备不足，这可能是由于球体壁厚对节点的破坏模式有较大影响。
为了进一步了解轴压作用下焊接球节点承载能力的影响因素，本章对140个节点进行有限元分析(详见表2-1~表2-5)，节点的几何参数变化范围为:空心球直径300mm≤D≤900mm，球径与壁厚之比为25≤D/t≤45，球径与钢管直径之比为2.4≤D/d≤4.0。
2.1有限元模型本文通过有限元软件ABAQUS进行分析，采用理想弹塑性应力-应变关系和Von-Mises屈服准则，考虑几何非线性，不考虑焊缝和残余应力的影响，利用弧长法迭代跟踪节点的荷载位移全过程影响。
大型焊接空心球节点的多轴加载有限元分析与足尺试验
(a) P1.6 设节点应力云图 (b) P1.6 分下节点应力云图 图 4 荷载 P1.6 设、P1.6分下节点应力云图
Abstract: In accordance with the need of designing large welded hollow spherical joints (WHSJ) of an arch steel roof in a gymnasium, a finite element nonlinear analysis and a full-scale experiment on the joint are carried out. The WHSJ connects two cables and twelve bars, three of which are overlapped. Through the finite element analysis, the distribution of surface stress of the joint was obtained; the bars were found yielding at their bottoms in the overlapped area under 1.4 times of the designed loads. Full-scale experimental research also indicated that the stress at the bottom of the ninth bar reached the yielding strength under 1.4 times of the designed loads. The result of the experiment is basically consistent with the analysis results. The study can provide references for the design of engineering joints. Key words: steel structure; welded hollow spherical joint; full-scale experiment; finite element analysis;
施工质量对焊接球节点网架结构可靠性影响的有限元分析
第16卷第3期2007年9月计算机辅助工程COMP UTER A I D ED ENGI N EER I N GVol.16No.3Sep t.2007文章编号:100620871(2007)0320043204施工质量对焊接球节点网架结构可靠性影响的有限元分析齐高龙, 姜建华(同济大学航空航天与力学学院,上海 200092)摘 要:针对焊接球节点网架结构施工中存在的缺陷,提出用刚度退化法仿真施工质量对焊接球节点网架结构可靠性的影响.对网架节点部位采用弹性模量退化法仿真施工过程中存在的质量缺陷,并在考虑施工质量缺陷的基础上,基于蒙特卡罗法运用AP DL(ANSYS Para metric Design Lan2 guage)编制命令流.以结构竖向最大位移作为工程可靠性能的主要指标,对某网架进行可靠性数值分析.计算结果证明施工工艺质量对结构可靠性有较大影响.该方法能帮助工程设计部门在复杂网架的可靠性计算方面考虑施工工艺质量的影响.关键词:网架结构;焊接球节点;可靠性;施工质量;刚度退化法;蒙特卡罗法;有限元;ANSYS 中图分类号:T U357;T U311.2;T B115 文献标志码:A收稿日期:2007205223 修回日期:2007206219作者简介:齐高龙(19822),男,山西原平人,硕士研究生,研究方向为工程力学,(E2mail)qigaol ong@;姜建华(19612),男,江苏溧阳人,教授,博导,博士,研究方向为工程力学,(E2mail)tk985-j@mail.t F i n ite ele m en t ana lysis on effects of con structi on qua lity on reli a b ility of gr i d structure w ith welded spher i ca l jo i n tsQ I Gaol ong,J I A NG J ianhua(School of Aer os pace Eng.&App lied Mechanics,Tongji Univ.,Shanghai200092,China)Abstract:W ith the quality defects in constructi on of grid structureswith welded s pherical j oints,stiffness degenerati on method is p r oposed t o si m ulate the effects of constructi on quality on reliability of grid struc2 ture with welded s pherical j oints.The constructi on defects are si m ulated by app lying elastic modulus de2 generati on method t o j oints.Based on these defects and Monte Carl o method,command stea m is devel2 oped by ANSYS Para metric Design Language(AP DL).The nu merical analysis on reliability of a grid structure is done,in which the biggest vertical dis p lace ment of structure is taken asmain criteria on relia2 bility.The results p r ove that the influence of constructi on quality on reliability of grid structures is great. The method can hel p t o consider the effects of constructi on quality while evaluating reliability of comp lex grid structures for engineering design depart m ents.Key words:grid structure;welded s pherical j oint;reliability;constructi on quality;stiffness degenera2 ti on method;Monte Carl o method;finite ele ment;ANSYS0 引 言 近年来,在形式众多的复杂结构中,空间网格结构造型美观,具有多向受力性能、整体刚度大、抗震性能好等特点,适用于各种跨度、载荷、平面形状、体型的工业与民用建筑,设计计算快捷,制作、安装方便,价格低廉,在设计市场被广泛应用.网格结构是将杆件按一定规律布置,通过节点连接而成的一种空间杆系结构,其外形呈曲面状时为网壳,呈平板状时即为网架.[1]在网架结构中,可靠性设计一直是结构计算和设计的重要组成部分.目前越来越多的网架进入我们的生活,并且大多数结构都在高空服役,一旦出现问题难以加固和修理,因此网架结构的可靠性设计显得尤为重要.在通常的网架可靠性研究中,采用随机变量或随机过程描述的大多为外载荷、材料强度、构件几何尺寸和材料属性等基本变量,很少考虑施工工艺质量对结构可靠性的影响.在空间网架结构中,节点数量较多,位于节点处的杆件连接工艺较为复杂,并且在安装及使用中容易出现各种缺陷,以致节点部位的应力集中现象较其他部位严重.施工质量的优劣,尤其是网架节点部位的施工质量对整体结构的可靠性将产生较大影响.本文提出刚度退化法模拟网架节点施工工艺质量对整体结构可靠性的影响,即采用弹性模量退化方法模拟施工过程中网架节点处存在的工艺缺陷,并通过实例计算研究施工质量对网架结构可靠性的影响.1 网架节点的工艺影响及其可靠性计算方法1.1 网架节点的施工工艺影响 网架的杆件连接主要有焊接球节点、螺栓球节点和板节点3种.对已建成的网架统计可知,焊接球和螺栓球节点应用较多,板节点较少.由于焊接空心球节点刚度大、制作工艺简单、造价较低,在网架结构中得到广泛使用.在现有关于网架结构可靠性的研究中,随机变量或随机过程仅取外载荷、材料强度、截面几何尺寸和材料属性等,而忽略施工工艺质量对结构可靠性的影响.其实在施工过程中,焊接缺陷、安装工艺及水平等对结构可靠性影响也不可忽略.焊接节点多采用坡口对接等强焊,这种节点现场焊接工作量大,杆件与节点连接的空间方向角控制较难,焊接过程中存在裂纹、夹渣、根部未焊透等缺陷,并且此类网架结构安装和施工质量难以控制,杆件端部由于焊接过程中的高温使得材料的物理性能和力学性能发生变化,焊接接口处容易产生应力集中,对结构受力十分不利.鉴于目前焊接球节点在我国应用广泛的情况,本文采用杆件端部弹性模量修正的方法模拟焊接缺陷,研究焊接缺陷产生的应力集中对结构可靠性的影响,杆件端部弹性模量修正尺寸按照圣维南原理取杆件直径的1～3倍.1.2 结构可靠性计算方法的实现[2] 目前可靠性分析中大多采用的方法如数值积分法、一次二阶矩法及其改进方法等,都是针对功能函数G(X)具有明确表达式的情况.在实际工程中,由于结构本身构造复杂,作用形式多样,要得到所感兴趣的结构行为,往往需借助于结构分析程序,此时不能给出功能函数的明确表达式,若直接应用上述方法就会遇到困难.目前解决这类复杂结构问题的常用方法有蒙特卡罗法和响应面法等.这里采用蒙特卡罗法实现结构可靠性的计算.蒙特卡罗法实质上是一种概率设计方法,其基本思想就是以频率逼近概率,即通过多次随机抽样,将每次抽样的具体数值带入功能函数并判断其失效与否,最后得出结构构件的失效频率(基于抽样次数)以估算其失效概率.蒙特卡罗法适用面广,只要建模准确,模拟次数足够多,所得结果就是可信的.现代计算机的良好性能为蒙特卡罗法提供了硬件基础.由于其他各种可靠性分析方法所作假设会引入系统误差且在数学上实现困难,所以蒙特卡罗模拟是目前可靠性分析结果正确性验证的唯一手段.2 施工工艺对网架结构可靠性影响的有限元分析 运用ANSYS软件实现施工工艺对网架结构可靠性影响的分析,其原理就是采用AP DL(ANSYS Pa2 ra meric Design Language)编制命令流对结构进行分析,然后与概率设计系统(Pr obabilistic Design Syste m, P DS)模块的随机模拟分析功能相结合.具体实现过程[3]为:(1)确定性的有限元分析,创建分析文件.包括前处理(Prep t);求解(S oluti on);后处理(Post1/ Post26);最后形成分析文件(Loop File);(2)定义随机输入变量(Rando m I nput Variables)和随机输出变量(Random Out put Para meters);(3)确定随机分析方法,进行模拟分析.ANSYS 提供多种随机分析方法,此处选用蒙特卡罗模拟法抽样次数取5000次;(4)分析蒙特卡罗模拟结果:失效概率Pf及可靠指标β的运算值.44计 算 机 辅 助 工 程 2007年 2.1 网架实例描述 某多点支撑正放四角锥网架,平面尺寸为24m ×30m ,网格为3m ×3m ,网格高度为2.121m.网架的支撑条件均为周边支撑.网架杆件和焊接空心球的钢材均为Q235,焊接用E43XX 型焊条,手工焊.杆件与焊接球节点采用钢管开坡口的对接等强焊缝连接.[4]正放四角锥网架的正视图和侧视图见图1,结构构件材料见表1,网架上作用的载荷见表2.图1 正放四角锥网架的正视图和侧视图表1 构件材料表杆件型号规格/mm根数1Φ60×3.55562Φ75.5×3.8583Φ88.5×4184Φ114×48表2 载荷等级表载荷等级外载荷标准值Q K /kN ・m -2外载荷设计值Q /kN ・m -2上弦节点荷载荷设计值P =9Q kN11.01.311.702.2 网架结构有限元分析模型 在整个网架结构的有限元分析中,建立模型是关键,即如何将施工工艺质量的影响在网架结构模型中表现出来.通常的网架结构可靠性分析,因不考虑施工工艺质量的影响,在基于只承受轴向力且不考虑单元弯曲的假定下,大多取三维杆单元L I N K8单元,且将每根杆只划分为1个单元.这种建模忽略焊接缺陷所带来的应力集中影响,无法将其在单元中表述.考虑到本文研究问题的特点,采用三维梁单元BEAM44单元,并将每根杆划分为3个单元,端部单元采用修正后的BEAM44单元,即将BEAM44单元释放3个自由度ROT X ,ROT Y ,ROT Z 形成铰节点,来保证杆件只承受轴向力,端部单元考虑刚度退化即弹性模量的折减,刚度退化单元长度根据圣维南原理统一取为15c m ,整个杆件采用相同的截面形状和面积,单元截面形状取为环形,通过随机变量内径和外径定义截面面积大小.杆件的端部单元通过弹性模量折减来模拟施工工艺质量的影响.定义折减系数为X ,网架支座处为周边支撑,根据网架变形特点在ANSYS 建模过程中周边节点支撑处理为竖向和径向固定、切向自由.将结构中通过节点最大竖向位移作为焊接缺陷对结构可靠性影响的主要指标.在ANSYS 有限元分析中,求解(Soluti on )设定为静力分析(Static ),且在后处理(Post1/Post26)中提取节点的竖向最大位移,以此作为可靠性影响的主要指标.后处理(Post1/Post )中节点的竖向最大位移提取的实现: NS ORT,U,Y,1,1,,0 3GET,DMAX,S ORT,0,MAX DMAX =ABS (DMAX ) 形成分析文件后,开始随机变量的选取.随机输出变量取为节点竖向最大位移D max ,随机输入变量的选取见表3.表3 随机输入变量取值表序号随机变量平均值方差分布类型1网架杆件1内径/mm 26.50.265对数正态2网架杆件1外径/mm 30.000.300对数正态3网架杆件2内径/mm 33.950.339对数正态4网架杆件2外径/mm 37.750.377对数正态5网架杆件3内径/mm 40.250.402对数正态6网架杆件3外径/mm 44.250.442对数正态7网架杆件4内径/mm 53.000.530对数正态8网架杆件4外径/mm 57.000.570对数正态9弹性模量/MPa 20600012360正态分布10外载荷F /kN 11.7 1.755正态分布11弹性模量折减系数X0.50.03均匀分布2.3 网架结构的可靠性计算结果及分析 不同情况下竖向最大位移与可靠性关系见图2和3.54第3期齐高龙,等:施工质量对焊接球节点网架结构可靠性影响的有限元分析图2 不考虑施工影响下D max和可靠性的关系图3 考虑施工影响下D max 和可靠性的关系 经过图表的整理计算,在相同可靠性和失效概率情况下,结构最大竖向位移值见表4.表4 结构竖向最大位移及其失效概率可靠性指标β3.042.852.422.392.352.182.07失效概率(10-3) 1.183 2.1867.768.4249.38714.6319.23D max1/mm 63615957555351D max2/mm54504544434140 表4中,D max1为考虑施工影响的竖向最大位移;D max2为不考虑施工影响的竖向最大位移.由表4可以看出,在考虑施工质量造成的焊接缺陷情况下,网架结构竖向最大位移明显增大,最大增大幅度为原位移的30%,故由施工带来的焊接缺陷对结构可靠性的影响是不可忽略的.3 结束语 (1)采用大型通用有限元程序ANSYS 提供的AP DL 将结构分析与其P DS 模块的统计分析能力相结合,利用蒙特卡罗法很好地实现结构可靠性计算.(2)通过对实例计算结果的分析,网架结构竖向位移对弹性模量取值较为明显,故必须考虑施工引起应力集中带来的弹性模量折减.(3)实例取于规范,结构可靠性较高.随着计算机硬件的发展,在实际工程中取样次数足够多的情况下,可以比较准确地计算更复杂网架结构的施工影响,为以后复杂网架的可靠性研究提供帮助.参考文献:[1] 沈祖炎,陈扬骥.网架与网壳[M ].上海:同济大学出版社,1997:12213.[2] 张士铮.建筑结构可靠性基本分析方法及其在ANSYS 上的实现[J ].广西大学学报:自然科学版,2006,31(6):2602261.[3] 任重.ANSYS 实用分析教程[M ].北京:北京大学出版社,2003:2482261.[4] 网架结构设计手册编辑委员会.网架结构设计手册[K].北京:中国建筑工业出版社,1998:1332134,2622264.(编辑 廖粤新)64计 算 机 辅 助 工 程 2007年 。
方钢管焊接空心球节点的有限元分析
Ｏ 引 言
白。针 对 这种 情 况 ， 过 有 限元 分 析 系 统 研 究 了 通
节点在轴力作用下 的受力性 能 、 破坏 机理和承载 进 人 二 十 一 世 纪 ， 跨 度 空 间 结 构 呈 现 出迅 能力 。 大 猛 发展 的 势 头 。 空 间 结 构 之 所 以能 三 维 受 力 、 空 间作用 ， 节点起 着关键 的作用 。在空 间网架 结构 １ 有 限元 模 型 中焊接空 心 球 节 点 已得 到 了广 泛应 用 ， 内 学 者 １ １ 有 限元 模 型 的选 取 国 ． 己经进行 了大量 的理 论 分 析 和 试 验 研 究 。有 关 焊 实 际工程 中的焊 接 空 心球 节 点 是 多 根 杆 件 的 接 空心球 节点 的研究 方法 主要 可 分 为 两类 。一 类 交汇点 ， 属于空 间受 力状态 ， 试验研究 表 明， 配合
ｏ ｘａ ｏ ｃ ｔ ｈ ｅｐ ｏ ｒｅ—ｓ ａｅ ｉ ｉ ｌｍｅ ｔ ｎ ｙ ｉ ｏｔ ａ ｅ ＡＮ ＹＳ ｆ ｉ ｆ ｒｅ ｗ ｈ ｔ ｅ ｈ ｌ ｆ ａ ｇ ａ ｌ ｉ ｌ ｃ ｄ ｆ ｔ ｅｅ ｎ ａ ｓｓｓ ｆ ｒ Ｓ ．Ｂ ｓ ｄ ｏ ｓ ｓｙｅｄ ｅ ｔ ｒ ｌ ｎｅ ａｌ ｗ ａ ｅ ｎ Ｍｉ ｉｌ ｒ ｅ — ｅ ｉ ｉ
方钢管焊接空心球节点 的有 限元分析
赵 连 华
（ 铁岭师 范高等专科学 校 ， 宁 铁 岭 １２ ０ ） 辽 １０ １ 摘 要： 简要叙述 了焊接空心球节点 的研究现状 ； 利用大型有 限元 分析软件 Ａ Ｓ Ｓ分析 了在轴力作 用下方钢 管焊接空 心 ＮＹ
球节点 的力学特性及破 坏机理 ； 在理想 弹塑性状态 下基于 Ｍｉ ｓ ｓ 屈服 准则对不 同几何尺寸 的方钢管 焊接 空心球 节点 的极 ｅ 限荷载进行 了比较 ； 分析 了节点几何参数对极 限荷 载的影 响。
钢管混凝土柱-钢梁穿心节点力学性能有限元分析.
ａｌＳＯ ｗｉｌｌ ｂｅ ｃａｒｒｉｅｓ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，
Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｉｓ ｐｉｔｃｈ ｐｏｉｎｔ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｓｔｅｅｔ ｇｉｒｄｅｒ ｗｉｎｇｓｐａｎ ａｎｄ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｗａｌｌ ｈａｖｅ ａ ｃｏｍｍｏｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ，ｎｅｅｄｓ ｗｉｎｇｓｐａｎ ｔｏ ｗｉｄｅｎ ｏｒ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｆａｌｌ ｐｌａｔｅ，ｓｌｏｗｓ ｄｏｗｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ；（雪Ｔｈｅ １０ａｄ－ｄｅｆｉｅｃｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｐｒｏｍｕｌｇａｔｅｄ ｈａｓ ｐｕｔ ｏｎ ｈａｌｆ ｒｉｇｉｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｈｅａｒｔ ｐｉｔｃｈ ｐｏｉｎｔ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ， ｎｅｅｄｅｄ ｔｏ ｇｉｖｅ ｊｎ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒ．Ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｇｉｒｄｅｒ ａｌｓｏ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｈｅａｒｔ ｐｉｔｃｈ ｐｏｉｎｔ ｉｓ ｂｉｇｇｅｒ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉｆｆｃｒｅｎｃｅ；⑨Ｔｈｒｏｕ曲ｃａｒｒｉｅｓ ｏｎ ｔｈｅ
直接焊接K形-KK形方圆管节点的参数分析
直接焊接K形\KK形方圆管节点的参数分析摘要：本文应用材料非线性和几何非线性有限元方法，对弦杆有轴压作用下直接焊接K形、KK形间隙方圆管节点进行了系统的分析。
考察了主要的几何参数对节点静力性能的影响规律，研究参数有β、γ、τ、θ、g、n，得到了一些有助于结构设计的结论。
关键词方圆管节点K形节点KK形节点极限承载力1前言空心管结构因为良好的力学特性、优美的外观和相对较低的造价，越来越受到人们的关注。
在直接焊接管节点中，有间隙的K形、KK形节点是广受好评的结构形式。
直接焊接空心管节点一般由圆管（CHS）与圆管相贯，或方管（SHS）与方管相贯组成。
然而，由圆管支杆和方管弦杆组成的节点（也称方圆管节点）常表现出一些超过单纯由圆管或方管组成的节点的优势。
方圆管节点只需要对支杆进行简单的切削即可施焊连接，而同样情况下的圆管节点在焊接之前必须对支杆进行复杂的空间切割，才能使之与圆管弦杆很好的接合。
所以方圆管节点比圆管节点加工成本更低。
与方圆管节点相比，方管节点常有较严重的应力集中现象，且疲劳寿命相对较低。
因此，方圆管节点很可能在一些工程中提供最佳的解决方案。
本文应用材料和几何非线性有限元方法，分别对弦杆有轴压作用下的直接焊接K形和KK形间隙方圆管节点的几何参数进行了系统的分析2有限元分析2.1建模与加载本文根据工程中常用的尺寸建立了K形节点基本模型[3]：弦杆截面为□100×3 mm、支杆截面为○40×2 mm，支弦杆夹角θi=45°，间隙宽度g=30mm，弹性模量E=2.06×105 N/mm2，泊松比υ＝0.3，钢材屈服强度fy=345MPa，轴压系数n=0.4，不考虑支、弦杆连接处焊缝影响，忽略弦杆方管的内外圆角，计算简图如图1所示；典型KK形节点取支杆平面间夹角φ=90°，其它参数与K形节点相同，参见图2。
为实现图1所示的K形节点计算简图，首先在每个支杆端部加封一块厚而刚的端板，约束端板中线上（保持Y、Z坐标不变）7个点的X、Y、Z轴方向的位移，然后在弦杆两端施加轴向荷载至一定值，最后沿弦杆轴向（Z轴方向）在其右端部施加均布力，同时约束刘冲，男，1979.4出生，工学硕士端部周边节点的X、Y向位移，如图3所示。
钢管混凝土柱节点承载力有限元分析
钢管混凝土柱节点承载力有限元分析摘要：以某钢管桁架与钢管混凝土柱的连接节点为研究对象，采用有限元软件ABAQUS，分析节点在复杂受力状态下的承载能力，通过分析有限元计算结果，节点满足设计要求。
关键词：有限元分析，节点承载力，ABAQUS，塑性损伤模型引言作为构件连接与传力的重要部分，钢结构节点受力分析是结构安全的重要保障。
本文以一主展馆钢管桁架与钢管混凝土柱的连接节点为研究对象，采用有限元软件ABAQUS，分析节点的承载能力，并与试验结果比较，验证节点安全性。
1.有限元模型1.1.材料本构模型钢管桁架弦杆与钢管混凝土柱外壁为Q345钢材，采用四折线理想弹塑性本构模型，如图1[1]。
图1 钢管本构模型钢管混凝土柱核心混凝土标号为C40，采用塑性损伤本构模型。
此本构模型假定：在不大于4或5倍的极限单轴压应力的低围压条件下，混凝土为脆性材料，主要破坏机理表现为拉裂与压碎。
在模拟混凝土在单向、循环及动荷载作用下的不可逆损伤破坏行为等方面，塑性损伤本构模型具有较好收敛性能[1]。
混凝土単轴应力应变关系见式（1）、（2）[2]：受压时：（1）受拉时：（2）其中，、或为混凝土峰值单轴压、拉应力，为对应峰值应变，为单轴全应力应变关系曲线的参数值，取值见文献[2]。
参考文献：[1]、[3]，可得压缩损伤值、拉伸损伤值与非弹性应变、开裂应变的关系，其曲线如图2。
（a）压应力-非弹性应变关系（b）损伤值-非弹性应变关系（c）拉应力-开裂应变关系（d）损伤值-开裂应变关系图2 混凝土C401.2.模型建立本文研究的节点为桁架的各杆件通过节点板与钢管混凝土柱连接，其杆件布置图如图3，GGKZ为钢管混凝土柱，有限元模型如图4。
图3 桁架杆件布置图（a）整体模型及杆件编号（b）节点板模型图4 有限元模型假定钢管柱范围内节点板完全嵌固在核心混凝土中，不考虑它们之间的滑移，其接触采用embedded region命令。
假定核心混凝土与钢管相互作用分解为法向与切向两个方向作用：法线方向为硬接触（hard contact），切向作用采用库伦摩擦模型（coulomb friction）模拟：接触面可传递法向压力，并在切向产生摩擦力，其摩擦系数取0.6[4]，当切向力大于临界摩擦力时，接触面即发生相对滑移，结合工程实际，假定滑移为小滑移（small sliding）；当接触面法向压力为零或者负值时，两接触面分离，相应节点接触被解除。
方钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点承载力与变形的有限元分析
方钢管混凝土柱-钢梁外加强环节点承载力与变形的有限元分析摘要：目的研究方钢管混凝土柱－钢梁外加强环式节点在单调荷载作用下的破坏机理和受力性能.方法通过有限元软件ANSYS对梁柱节点进行非线性有限元分析，分析了轴压比、套箍指标等参数对节点承载力与变形的影响.结果构件最后破坏时，节点区的钢管壁产生了严重的扭曲变形，模型的实体单元遭到严重破坏.结论方钢管混凝土柱—钢梁外加强环式节点具有优良的刚度及耗能能力，且加强环的设置有效地降低了节点区的应力集中。
关键词：梁柱节点；钢管混凝土；有限元；非线性Abstract: Objective To study the CFRT column - steel beams outside to strengthen the ring node failure mechanism under monotonic loading and mechanical properties of the beam-column joints by finite element software ANSYS nonlinear finite element analysis, analysis of the axis pressure ratio, sets the hoop indicators and other parameters to the bearing capacity and deformation of the final destruction of the results of component, the nodes of the steel pipe wall to produce a serious distortion of the solid elements of the model have been seriously damaged. conclusion CFRT column -the outer steel beams to strengthen the ring node with excellent stiffness and energy dissipation capacity, and the strengthening ring setting effectively reduces the stress concentration of the node area.Keywords: beam-column joints; concrete filled steel tube; finite element; nonlinear钢管混凝土结构的基本原理是借助方钢管对核心混凝土的套箍约束作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压强度和压缩变形能力。
方钢管焊接空心球节点的弹性有限元分析及试验
方钢管焊接空心球 节点的弹 性 有限元分析及试验
邢 丽 ，董 石 麟 。
（． 江树 人 大 学 城 建 学 院 ， 江 杭 州 ３０ １ ； ．浙 江 大 学 建 筑 工 程学 院 ， 江 杭 州 ３ ０ ２ ） １浙 浙 １０５ ２ 浙 １ ０ ７
摘 要 ： 过 有 限元 系统 分 析 方 钢 管 焊 接 空 心 球 节 点 在 轴 力 作 用 下 的 受 力 性 能 ． 立 采 用 实 体单 元 的 有 限 元 模 型 ， 通 建
ｉａ ｐ ｒｏ ｍ ａ ｃ ｓａ ａｙ ｅ ． Ｂ ｏ ｃ ｌ ｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｗａ ｎ ｌ ｚ ｄ ｙ ｃ ｍｐ ｒｎ ｈ ｅ ｕ ｔ ｔ ｈ ｎ ｓ ｇ ｔ ｆｏ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ，ｉ ａ ｉ ｇ ｔ ｅ ｒ ｓ ｌｓ ｗｉｈ ｔ ｅ ｏ ｅ ｏ ｒ ｍ ｘ ｅ ｉ ｎ ｓ ｔ
ｔ ｅｄｓ ｒｂ ｔｏ ｕ ｅｏ ｈ ｔｅ ｓａ ｄｄ ｓ ｌｃ ｍｅ ｔｏ ｈ ｓ ｏｎ ｓｗａ ｒ ｖｄ ｄ ａ ｄ ｔ ｅｒｍｅ ｈ ｎ ｈ ｉｔｉｕ ｉｎ ｒ ｌ ｆ ｅｓ ｒｓ ｎ ｉｐ ａ ｅ ｎ ｆｔ ｅ ｅｊｉ ｔ ｓｐ ｏ ｉ ｅ ｎ ｈ ｉ ｔ ｃａ—
ｔ ｓ ｏ ｎｔ ｄｅ ｘｉ Ｉｆ ｃ ｄ ｔｎ ｉ ｉｅｅ ｅ ｎ ｏ ｅ ｆｓ ｉ ｔｗａ ｏ ｕｃ ｅ ｈｅ ｅ ｉ ｓ ｕｎ ｒ ａ ａ ｏｒ ｅ ａ ｏｐ ｉ ｇ ｆｎ ｔ ｌ ｍｅ ｔｍ ｄ ｌｏ ｏｌ ｕｎｉ ｄ ｓｃ ｎｄ ｔ ｄ．Ａｎ ｈ ｎ ｄｔｅ
为 ２０ ０ ８年北京 奥 运会兴 建 的 国家游泳 中心“ 水 立方 ” 采用 了一 种 全新 的空 间结 构 形 式—— 基 于气
计算 方法 ．
最 近 ， 配合 “ 立 方 ” 程 设 计 ， 为 水 工 文献 Ｅ ］ ７ 通过
焊接结构的有限元模拟与优化
焊接结构的有限元模拟与优化引言焊接是一种重要的连接方法，在制造业中广泛应用于各种工程结构。
在焊接结构设计中，通过有限元模拟和优化方法可以提高焊接结构的性能和寿命。
有限元模拟是一种数值分析方法，可以对复杂的结构进行模拟，计算其应力、应变和变形等物理量。
在焊接结构分析中，有限元模拟可以用于预测焊接接头的强度、刚度和疲劳寿命，以及评估焊接工艺的优化效果。
有限元模拟方法有限元模拟是一种将复杂结构分割为有限数量的简单元素，并对每个元素进行数学建模的方法。
通过将复杂的结构划分为简单的网格点（节点）和直线段（单元），可以建立结构的几何形状和材料特性的数学模型。
然后，根据结构的边界条件和加载条件，在每个节点上求解应力和应变的方程。
最终，通过对所有节点的求解结果进行整合，可以获得整个结构的应力分布和变形情况。
常见的有限元模拟软件包包括ANSYS、ABAQUS和LS-DYNA等。
这些软件提供了广泛的建模和分析功能，可以应对不同类型的焊接结构。
在进行有限元模拟之前，需要对焊接结构进行几何建模、网格划分和边界条件设置。
然后，选择合适的材料模型和加载条件，进行数值计算。
最后，根据计算结果进行后处理，得出焊接结构的应力、应变和变形等结果。
焊接结构的优化方法焊接结构的优化可以分为拓扑优化、形状优化和参数优化三个方面。
拓扑优化是通过改变结构的连接方式和布局来优化其性能。
形状优化是通过改变结构的几何形状来优化其性能。
参数优化是通过改变结构的材料和尺寸等参数来优化其性能。
在焊接结构的拓扑优化中，可以通过增加连接件的数量、调整连接件的位置和改变连接件的形状等方式来改善焊接结构的性能。
在焊接结构的形状优化中，可以通过改变焊接接头的几何形状和尺寸来控制焊接过程中的应力分布和变形情况。
在焊接结构的参数优化中，可以通过选择合适的焊接材料和调整焊接参数等方式来提高焊接接头的强度和寿命。
焊接结构的有限元模拟与优化实例下面以一个简单的焊接结构为例，介绍焊接结构的有限元模拟和优化过程。
方钢管混凝土结构芯钢管节点的有限元分析
维普资讯
２ 节点模型
新型钢管混凝土粱柱节点模型按实际工程 ｌ４ ： 的
３ 单元模型的选取与网格划分
该节点构件 由方钢管、 芯钢管 、 节点 区竖向钢筋 、
收稿 Ｅ期 ：０ ５ ２—１ １ ２ ０ —１ ８
基金项 目 ： 陕西省 自然科 学基金 项 目（０ １２ ） ２ ０ （ ７ ０ 作者简介 ： － ９ 建军（９ ０一） 男， １８ ， 河南三 门峡人 ， 硕士生 ， 究方向： 研 钢结构。
１ 引言
将王毅红【２ １ ， 提出的带有芯钢管的圆钢管混凝土 Ｊ 结构柱梁节点用于方钢管混凝土结构 ， 该节点的主要 特点是节点区外方钢管间断 ， 用芯钢管连接 ， 在外方钢
比例设计 ， 型试件 的尺寸及 配筋 如图 １ 模 所示 ， 试件 的 参数详 见表 １ 。
表 １ 试件 的参数
Ｃｏ ｃ ｅｅＦｉｌｄ Ｓ ｕ ｒ ｔｅ ｂ ｌｒ ｎ ｒ ｔ ｌｅ ｑ ａ ｅ Ｓ ｅ ｌＴｕ ｕ ａ
ＤＵ Ｊａ ． ｎ Ｗ Ａ ｉ ｊ ． ｎｕ ＮＧ ．ｏ ｇ Ｙｉ ｎ ｈ
（ ｃｏｌｆＣ ｎｔｕｔ ｎＥ ｇｎｅｉ ，Ｃ ａ ｇ’ｎＵ ｉｅｓｙ ，Ｘ ’ｎ７ ０ ６ ） Ｓｈｏ ｏ ｏｓｒｃｉ ｎ ｉｅｒ ｇ ｏ ｎ ｈ ｎ ａ ｎｖｒｉ ｔ ｉａ １０ １
ｓｒｃｕｅｂ ｈ ｖｏｓｉ ｎ ｒｔ ．ｅ ｕ ｅｓｅｌｔｂ ｌ ｖｎ ｉ ｌ ｈｓｉｉｔｉ ＦＳ ｔｕ ｔ ａ ｉｒ ｎｃ ｃｅｅｆ１ ｓ ａ ｔ ｕ ｕａ ｈ ｉ ｇａｓ ａ ｔ ｔｉ ｏｎ Ｃ Ｔ． ｒ ｅ ｏ ｌ ｑ ｒ ｄ ｒ ａ ｍｉ ｏ ｒ ｎ
Ｋ ｙｗ ｒｓｃｎ ｅ ｌ ｕ ｅｓ ｌｕ ｕ ； ｉｔｃｒ ｔ ｌｕ ； ｃｈｎｃｌ ｒｐｒ ；ｆ ｔ ｅ ｅｔ ｎｌ ｉ ｅ ｏｄ ： ｃ ｔ ｆｌ ｓ ａ ｅ ｂｌ ｊ ｎ ； ｅｓ ｂ ｍｅ ａ ｉ ｏ ｅｔ ｉ ｅｄ ｎ ａ ｓ ｏ ｒ ｅｉ ｅ ｑ ｒ ｔ ｔ ａ ｏ ｏ ｄ ｒ ｅ ｔｅ ａｐ ｙ ｎ ｉ ｍ ａ ｙｓ
方钢管混凝土柱_钢梁外隔板式节点非线性有限元分析
2 有限元结果分析
2. 1 荷载 —位移曲线
图 6为有限元分析所得的 SJ - 01C, SJ - 02C荷
载 —位移曲线与试验骨架曲线比较 ,表 2为有限元
分析所得的试件性能与试验结果对比 。
60
四川建筑科学研究
第 35卷
1 有限元分析模型的建立
1. 1 钢材本构关系和屈服准则 常用的钢材本构关系有双折线模型 、多折线模
型等 ,这些本构关系模型虽然定义简单 ,但精度不 高 ,难以精确地描述钢材
在非线性阶段的应力 —
应变关 系 。本 文钢 材本
构关 系 根 据 钢 材 拉 伸 试
(N /mm2 ) (N /mm2 ) (N /mm2 ) / (N /mm2 )
φ
φ f
1. 95
19. 5
20000
2. 57
60. 6° 60. 6°
1. 3 边界条件的模拟与加载方式
有限元分析时 ,采用约束柱顶端的 x, y 两个方
向线位移和柱底端的 x, y, z三个方向线位移的方法
模拟柱上下端的铰结 。与试验一致 ,柱顶施加 400
/mm 38. 7
48. 3
SJ - 02C
试验 有限元
82. 1 96. 7
Nonlinear ana lysis on connection w ith outer d iaphragm s between square concrete f illed steel tube columns and steel beam s
HUAN G B ingsheng, DU Peiyuan, FAN J ianhui
配筋空心方钢管高强混凝土纯弯构件受力性能有限元分析
ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｗａｌｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｈａｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｎｏｔｉｃｅａｂｌｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ
近年来ꎬ国内外学者对钢管混凝土受弯
了构件抗弯承载力设计公式ꎮ 张凤亮 [１５] 进
构件 进 行 了 深 入 研 究ꎮ Ａ. Ａ. Ｍ. Ａｌ￣Ｓｈａａｒ
行空心的钢管混凝土性能的研究ꎬ结果表明ꎬ
等
[５]
对轻骨料混凝土与自密实方钢管混凝
土的受弯性能进行试验研究ꎬ结果表明ꎬ中空
空心圆钢管混凝土柱的延性低于实心圆钢管
ꎮ 在实际工程中ꎬ钢管混凝土柱在
的强度和刚度计算公式ꎮ Ａ. Ｙ. Ｊｉａｎｇ 等 [１４]
ꎬ因此有必要对其受弯性能进行研究ꎮ
钢管混凝土进行分析ꎬ并以 ＡＩＳＣ 标准提出
构件
[１ － ２]
风荷 载、 水 平 地 震 作 用 下 会 产 生 一 定 的 弯
矩
[３ － ４]
建立了有限元模型对纯弯荷载作用下的离心
笔者建立了 １７ 个受弯构件有限元模型ꎬ
典型构件 ＳＢＭ￣１ 柱长 ２ ８００ ｍｍꎬ钢管壁厚
５ ｍｍꎬ方钢管的截面宽度 ４００ ｍｍꎬ钢材屈服
０ ６ꎮ 在钢管三分点处采用位移加载ꎬ边界条
件及网格划分如图 ２ 所示ꎮ
强度 ２３５ ＭＰａꎬ 管 柱 混 凝 土 抗 压 强 度 为
８０ ＭＰａꎮ 管柱中布置 Φ４ ＠ ４５ 的箍筋ꎬ强度
混凝土的延性ꎮ
基于ABAQUS的焊接结构力学行为有限元分析
基于ABAQUS 的焊接结构力学行为有限元分析摘要：为了避免钢结构大棚在恶劣气候期间发生安全事故，提高Q235B 抗风雪和抗振动能力，分析在结构承载条件下的极限形变数据。
利用ABAQUS 对对Q235B 钢管手工电弧焊焊接成形的连跨型网架结构进行建模，研究自重环境因素影响下焊接结构的非线性承载能力，通过模型有限元分析和计算结果分析结构的可靠性。
结果表明：应力最大值出现在网架结构靠近约束的部分，达到5.499×10-4MPa ，远小于Q235B 屈服强度；等效塑性应变量为0，即表明该结构无塑性变形量，处于弹性状态。
该设计方案完全符合实际要求。
关键词：网架结构；Q235B ；ABAQUS ；有限元分析法中图分类号：TG404文献标识码：A 文章编号：2095-0438（2021）03-0144-03（福建商学院信息工程学院福建福州350506）詹友金∗∗∗第41卷第3期绥化学院学报2021年3月Vol.41No.3Journal of Suihua UniversityMar .2021收稿日期：2020-08-21作者简介：詹友金（1965-），男，福建福州人，福建商学院信息工程学院讲师，高级工程师，研究方向：现场施工管理及工程造价。
连跨型网架结构具有良好建设周期短、结构质量轻以及造价便宜等特点，在农业、工业以及建造业得到良好的工程应用[1]。
尤其是作为塑料大棚的支持结构件，通过节点连接而成的一种空间杆系结构，其外形呈曲面状为网壳，呈平板状的为网架结构[2]。
区别于一般的网架结构，连跨型网架结构跨度较大，由于外部环境因素（例如暴雨、暴雪、大风等天气）和内部因素（例如负载过重、跨度过大等）的影响导致容易出现坍塌事故发生[3,4]。
所以，在设计连跨型网架结构过程中更加需要进行考虑结构材料的抗压能力和结构的负载能力。
在本文采用非线性数值分析软件ABAQUS 对焊接成形的连跨型网架结构进行受力分析，进行自重环境因素影响下焊接结构的非线性承载能力分析。
方钢管混凝土柱节点的试验研究及非线性有限元分析
第23卷第11期 V ol.23 No.11 工程力学2006年11 月Nov. 2006 ENGINEERING MECHANICS 99 文章编号：1000-4750(2006)11-0099-11方钢管混凝土柱节点的试验研究及非线性有限元分析*聂建国1,2，秦凯1,2，肖岩3(1. 清华大学土木工程系，北京 100084；2. 清华大学结构工程与振动教育部重点实验室，北京 100084；3. 南加州大学土木工程系，洛杉矶 90089)摘要：基于方钢管混凝土柱内隔板式节点及外加强环式节点的低周反复荷载试验，在合理选择材料本构关系、破坏准则的基础上，采用通用有限元软件ANSYS对方钢管混凝土柱内隔板式节点和外加强环式节点进行了单调加载及循环加载作用下的受力性能分析。
有限元分析得出的荷载-位移曲线及剪力-剪切变形曲线与试验结果吻合较好。
在此基础上对外加强环式节点进行了参数分析，研究了方钢管混凝土柱的轴压比、宽厚比、核心混凝土强度及混凝土楼板高度对节点受力性能的影响，结果表明轴压比、宽厚比的影响较大。
关键词：方钢管混凝土柱；内隔板式节点；外加强环式节点；有限元分析；参数分析中图分类号：TU317.1 文献标识码：AEXPERIMENTAL INVESTIGATION AND NONLINEAR FINITE ELEMENT ANALYSIS ON THE BEHA VIOR OF CONCRETE-FILLED SQUARE STEELTUBULAR COLUMN CONNECTIONS*NIE Jian-guo1,2 , QIN Kai1,2 , XIAO Yan3(1. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2. Key Laboratory of Structural Engineering and Vibration of China Education Ministry, Tsinghua University, Beijing 100084, China;3. Department of Civil Engineering, University of Southern California, Los Angeles, CA 90089, U. S.)Abstract:Based on the experiments of concrete-filled square steel tubular column connections with interior or exterior diaphragms under cyclic loading, 3-D nonlinear finite element models were used to analyze the mechanical properties of these two types of connections using ANSYS. Based on appropriate material stress-strain relations and failure criteria, finite element analyses were conducted under monotonic loading and cyclic loading. The load - deflection curves and shear force - deformation curves by finite element analyses show good agreement with those of the experiments. Parametric analyses were conducted on the connections with exterior diaphragms to investigate the influences of compression ratio, width to thickness ratio, strength of the concrete in the square steel tube and concrete slab height. It is found that compression ratio and width to thickness ratio are more important to the connections.Key words:concrete-filled square steel tubular column; connections with interior diaphragms; connections with exterior diaphragms; finite element analysis; parametric analysis———————————————收稿日期：2005-03-02；修改日期：2005-06-12基金项目：国家自然科学基金资助项目(50438020)作者简介：*聂建国(1958)，男，湖南衡阳人，教授，博士，博导，从事结构工程研究(E-mail: niejg@)；秦凯(1979)，男，山西太原人，博士生，从事结构工程研究；肖岩(1961)，男，内蒙古呼和浩特人，教授，博士，从事结构工程研究。
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引言
进入２１世纪，大跨度空间结构呈 现出迅猛发展的势头。空间结构之所 以能三维受力、空间作用，节点起着 关键的作用。在空间网架结构中焊接 空心球节点已得到了广泛应用，国内 学者己经进行了大量的理论分析和试 验研究［１］￣［８］。有关焊接空心球节点的研 究方法主要分为两类。一类利用试验 方法对焊接空心球节点进行承载力及 破坏机理分析，另一类则利用有限元 方法对焊接空心球节点进行静力性能 分析，单纯从理论上对焊接空心球节 点的研究相对来说比较少。
段，并向Ａ区扩展；当Ａ塑性区扩展 到内表面、并与Ｂ塑性区汇合，空心 球发生大变形，失去承载能力。
以Ｄ６００×２０焊接球配合Ａ３００×１８ 方钢管节点为例，考察球与钢管连接 处冲切面上（见图４ａ）的应力分布。 冲切面上主要存在正应力σｘ、σｙ、σｚ 和剪应力τｘｙ、τｘｚ、τｙｚ，它们沿冲切 面高度（由下至上）的分布见图４ｂ， 图中还给出了Ｍｉｓｅｓ等效应力分布曲 线。可见，虽然正应力的数值较剪应
对２０组节点（见附表）的破坏荷 载进行分析，影响方钢管焊接球节点 轴压承载能力的主要因素为空心球的 球径Ｄ，壁厚ｔ和钢管的边长Ａ，承载 能力随空心球壁厚ｔ和钢管边长Ａ的增 大而增大，随空心球外径Ｄ的增大而 有所降低，而与钢管壁厚关系不大。 ２．２．３ 拉压承载力的比较
实际结构中承受拉力和压力作用 的焊接空心球节点都存在，以往的研 究认为，焊接空心球节点在拉力作用 下为强度破坏，在压力作用下为稳定 破坏。文献［２］通过节点的加肋，认为 拉压焊接空心球节点都为强度破坏， 并且忽略拉压差别。本文对方钢管焊 接空心球节点在拉压荷载作用下的极
单向受力为依据，并将钢管与球作为 整体进行有限元建模。对方钢管焊接 空心球节点利用对称性选用１／４球体 及相应的钢管作为有限元分析模型， 如图２所示。 １．２ 单元选择
本文的有限元分析利用ＡＮＳＹＳ有 限元软件包进行，在有限元分析中单 元的选择是至关重要的，合理的选择 单元，才可以保证计算所要求的结果。 对于本文所分析的方钢管焊接空心球 节点选用理想弹塑性材料，并选择实 体单元Ｓｏｌｉｄ４５进行计算。 １．３ 网格划分
现代焊接 ＭｏｄｅｒｎＷｅｌｄｉｎｇ
方钢管焊接 空心球节点的有限元分析
Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ－ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｈｏｌｌｏｗ ｂａｌｌ ｎｏｄｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｑｕａｒｅ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ
铁岭师范高等专科学校 赵连华
［摘要］ 本文简要叙述了焊接空心球节点的研究现状；利用大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ分析了在轴力作用下方钢 管焊接空心球节点的力学特性及破坏机理；在理想弹塑性状态下基于Ｍｉｓｅｓ屈服准则对不同几何尺寸的方钢管焊接空 心球节点的极限荷载进行了比较；分析了节点几何参数对极限荷载的影响。
下的承载力高，但这种拉压差别并不 很大。考虑到工程中的实用性和可靠 性，忽略受压和受拉的差别，统一以 压弯结果为依据。 ３．３ 影响焊接球节点承载能力的主要 因素包括空心球的外径Ｄ，壁厚ｔ以及 与之相连的钢管边长Ａ。承载能力随 空心球壁厚ｔ和钢管边长Ａ的增大而增 大，随空心球外径Ｄ的增大而有所降 低，而与钢管壁厚关系不大。
基本保持水平，略微有上升的趋势， 因此需人为（如根据变形）确定其破坏 荷载（即承载能力）。考虑几何非线 性时，节点的荷载－位移曲线上存在 一个顶点，其后曲线下降，表明节点 达到临界荷载，丧失承载能力，但二 者差别不大。另外，从以往与圆管相 连的焊接空心球节点的试验来看，节 点破坏时表现为大挠度，所以在有限 元分析中考虑几何非线性效应是符合 实际情况的，本文应用非线性分析确 定极限载荷，故应用Ｍｉｓｅｓ屈服条件。 ２．２．２ 破坏荷载
（ａ）
（ｂ）
（ａ）方钢管焊接空心球节点； （ｂ）１／４方钢管焊接空心球节点
实际工程中的焊接空心球节点是 多根杆件的交汇点，属于空间受力状 态，文献［１２］的试验研究表明，配合 圆钢管的焊接空心球节点在单向受力 和双向受力时的破坏荷载接近，网架 规程公式［１３］也是以单向受力试验为主 而推出的。与文献［８］类似，本文也以
且两者正好相差 ３倍左右。分析还表
明，轴向受拉节点与轴压节点的应力 分布规律一致，只是拉压应力反号， 冲切面同样由剪应力τｘｚ 起控制作用。 ２．２ 轴力作用下节点极限承载力的参 数分析 ２．２．１ 屈服条件
屈服条件是用来判断某点是否从 弹性状态进入塑性状态的准则。对于 单向应力状态，判断它是否屈服时， 只需判断拉应力σｘ是否达到屈服应力 σｓ。而对于复杂应力状态，相应的应 力张量是由６个应力分量决定的。必须 依据一定的准则判断，这个准则就是 屈服准则。常用的屈服准则有Ｔｒｅｓｃａ 屈服准则和Ｍｉｓｅｓ屈服准则。Ｔｒｅｓｃａ屈 服条件是线性的，而Ｍｉｓｅｓ屈服条件 是非线性的，Ｍｉｓｅｓ屈服条件为：
图４ 冲切面及其应力分布
现代焊接 ２００７年第８期 总第５６期 Ｊ－ ２９
现代焊接 ＭｏｄｅｒｎＷｅｌｄｉｎｇ
力大，但σｘ、σｙ、σｚ三者比较接近，τｘｙ 和τｙｚ基本为零，而Ｍｉｓｅｓ应力为：
这表明冲切面处起控制作用的为 剪应力τｘｚ。这一点从图４ｂ也可看出， 剪应力曲线基本平行于Ｍｉｓｅｓ应力曲线，
２０ ６００ ２２ ３００ ２２ ４００４．６
限承载力进行了比较。 图６（焊接球Ｄ３５０×１４，配合方
钢管Ａ２００×１０）给出了节点在轴向 拉力和压力作用下的荷载位移曲线的 比较，从图可以看出节点在轴向拉力 作用下比在压力作用下的承载力高， 而且节点在轴向拉力作用下屈服后， 曲线是不断微微上升，轴向压力作用 下，曲线达到最大点后，开始下降， 但这种拉压差别并不很大。考虑到工 程中的实用性和可靠性，不允许节点 出现过大变形，确定拉力承载能力时 位移不能太大，因此，本文将忽略受 压和受拉的差别，统一以压弯结果为 依据。即以图６中受压节点考虑几何
Ｊ－ ３０ 现代焊接 ２００７年第８期 总第５６期
Ｍｏｄｅｒｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ 现代焊接
非线性的荷载－位移曲线的顶点作为 节点的破坏荷载。这样对受拉节点会 偏于保守，是安全的。
３ 结束语
综上所述，本文采用理想弹塑性 应力－应变关系和Ｍｉｓｅｓ屈服准则、 同时考虑了几何非线性的影响，采用 八节点六面体实体单元Ｓｏｌｉｄ４５来建立 方钢管焊接空心球节点的有限元模 型；在对承受轴力作用的焊接空心球 节点进行应力分析时；在忽略拉、压 区别，统一以受压为准的破坏荷载进 行分析。分析结果表明： ３．１ 在球管交界处应力集中明显，首 先在方钢管角点所在部位出现屈服， 然后沿环向和厚度方向发展。 ３．２ 在轴向拉力作用下比在压力作用
６ ４００ １４ ８０ １０ ４９２．１
７ ４００ １４ １００ １０ ６４６．１
８ ４００ １４ １２０ ８ ９ ４００ １４ １２０ １２
８３６．６ ８３９．２
１０ ４００ １４ １４０ １０ １１ ５００ １６ １００ １０
１０１５．０ ６８７．９
１２ ５００ １６ １５０ １０ １３ ５００ １６ ２００ １０
Ｊ－ ２８ 现代焊接 ２００７年第８期 总第５６期
Ｍｏｄｅｒｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ 现代焊接
３００ｍｍ ≤Ｄ≤９００ｍｍ，直径与壁厚之 比Ｄ／ｔ≤３５，钢管尺寸与球径之比０．２ ≤Ａ／Ｄ≤０．６。 ２．１ 轴力作用下节点的应力分析
下面以Ｄ４００×１４焊接球配合Ａ２００ ×１０方钢管的节点为例说明在轴压作 用下节点应力发展情况。方钢管焊接 空心球节点在轴力作用下经历三个阶 段：弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶 段，其荷载－位移曲线如图３ａ。图３ｂ为 节点破坏时的应力云图及变形图，图 ３ｂ￣３ｋ分别为空心球外表面、内表面的 径向应力与环向应力分布，图中标注 １的曲线为弹性阶段（荷载为破坏荷载 的４０％）的应力分布，标注２的为破坏 荷载时的应力分布。曲线落在球外侧 的为拉应力，落在球内侧的为压应力。 在轴力作用下，球体与钢管连接处附 近不仅存在薄膜内力，还出现了相当 大的弯曲内力，球体在邻近球管连接
本文的有限元分析中，单元网格 采用映射划分方法，在球管连接部位 进行了加密。为了减小误差，必须保 证单元足够小。所以，采用沿壁厚划 分４层网格、总单元数１２０００左右的网 格划分（图２），既保证了计算精度 又兼顾了计算速度。
２ 承受轴力作用下的节点分析
本文共分析了２０组节点，取节点 的几何参数变化范围为：空心球直径
１１５６．３ １７２８．１
１４ ５００ １６ ２００ １２ １７４１．１
１５ ５００ １６ ２５０ １４ ２３０１．６
１６ ５００ １６ ３００ １４ １７ ５５０ １８ ３００ １４
２８４２．３ ３１９１．０
１８ ６００ １８ ３００ １４ １９ ６００ ２２ ３００ １８
３０６３．５ ３９１１．１
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