中國(guó)動(dòng)漫館節(jié)點(diǎn)有限元分析

金紹武，李 紅，胡帥軍，王儀政

中國(guó)動(dòng)漫館節(jié)點(diǎn)有限元分析

金紹武，李 紅，胡帥軍，王儀政

（湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430068）

以中國(guó)動(dòng)漫館為例，利用Sap2000的計(jì)算結(jié)果，將節(jié)點(diǎn)處各桿端力作為荷載加于節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析計(jì)算。使用ANSYS對(duì)本工程關(guān)鍵部位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最不利工況下的強(qiáng)度驗(yàn)算，以保證工程的安全可靠。

中國(guó)動(dòng)漫館；節(jié)點(diǎn)；ANSYS

1 工程概況

中國(guó)動(dòng)漫博物館位于浙江省杭州市白馬湖畔，總建筑面積約為30382m2。本項(xiàng)目建筑主體最高點(diǎn)距地面44.50m，一層采用鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，二層及以上采用鋼板剪力墻＋跨層桁架結(jié)構(gòu)。建筑最大平面尺寸為152m×63m，地上六層，局部設(shè)夾層與地下室（圖1）。

圖1 中國(guó)動(dòng)漫館上部結(jié)構(gòu)模型三維視圖

2 分析計(jì)算軟件

根據(jù)Sap2000里導(dǎo)出的桿件截面尺寸和相對(duì)幾何關(guān)系的線框模型，采用CAD軟件完成鑄鋼節(jié)點(diǎn)的CAD模型設(shè)計(jì)。通過(guò)ANSYS自帶接口，將幾何模型從CAD軟件中導(dǎo)入到ANSYS分析軟件［1］。

3 節(jié)點(diǎn)有限元分析

有限元模型單元選取實(shí)體單元SOLID187的10節(jié)點(diǎn)高階單元，取單元大小為15mm，為鑄鋼節(jié)點(diǎn)中鋼管最小壁厚30mm的1／2。對(duì)不同網(wǎng)格尺寸及單元類型試算結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果精度滿足工程需要。模型節(jié)點(diǎn)總計(jì)約181萬(wàn)，單元總計(jì)約122萬(wàn)。材料的彈性模量E和泊松比ν分別取為2.06× 105MPa和0.3，材料模型采用理想彈塑性模型，鑄鋼型號(hào)選用G20Mn5N，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f＝235N／mm2。

圖2鑄鋼節(jié)點(diǎn)各桿件編號(hào)示意分圖

圖3節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃

根據(jù)Sap2000計(jì)算結(jié)果，鑄鋼節(jié)點(diǎn)（圖2、圖3）各工況下內(nèi)力以軸力為主，剪力及彎矩相對(duì)較小，因此取主管（編號(hào)3754）軸力最大工況進(jìn)行計(jì)算。為了真實(shí)的模擬節(jié)點(diǎn)的實(shí)際受力邊界，對(duì)節(jié)點(diǎn)最粗支管（編號(hào)3754）下端面進(jìn)行剛性約束。在加載的過(guò)程中值得注意的是，從Sap2000導(dǎo)出的是單元內(nèi)力，在ANSYS中通過(guò)在各桿件端面建立局部坐標(biāo)系，并旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系至局部坐標(biāo)系，使其與Sap2000單元坐標(biāo)系重合［2］。節(jié)點(diǎn)各桿端面內(nèi)力見(jiàn)表1所示。節(jié)點(diǎn)分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 von Mises等效應(yīng)力云圖

表1 最大支管（編號(hào)3754）軸力最大工況內(nèi)力

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：

1）由鑄鋼節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力圖可知，最大等效應(yīng)力約為493MPa，但此區(qū)域范圍較小，且主要是由于對(duì)最粗支管（編號(hào)3754）下端面進(jìn)行剛性約束引起的。這種由于人為約束的邊界條件帶來(lái)的節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)端較大應(yīng)力分布可以不予考慮［3］。

2）由鑄鋼節(jié)點(diǎn)附近的von Mises等效應(yīng)力云圖可知，在節(jié)點(diǎn)附近（圖中標(biāo)有MX處），最大等效應(yīng)力約為247MPa。篩選出應(yīng)力值超過(guò)235MPa（強(qiáng)度設(shè)計(jì)值）的有限元節(jié)點(diǎn)，等效應(yīng)力在235～247MPa范圍內(nèi)的共有5個(gè)（表2）。1.2），因此，節(jié)點(diǎn)在上述荷載工況作用下最大等效應(yīng)力247MPa小于調(diào)整后的應(yīng)力限值282MPa，故綜合來(lái)看節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3）在建模及計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，模型各部分（包括倒角）的尺寸、角度等，對(duì)計(jì)算結(jié)果有較大影響，如果處理不好，可能會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。這種應(yīng)力集中有的可能是由于數(shù)值求解異常方面引起的，也有的可能是由于倒角或平面不夠光滑引起的真實(shí)的應(yīng)力集中。因此，在指導(dǎo)節(jié)點(diǎn)加工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制模型各部分（包括倒角）的尺寸、角度及表面光潔度，所加工的形狀與設(shè)計(jì)提供的模型相一致，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)要求，保證鑄鋼節(jié)點(diǎn)的加工質(zhì)量［4］。

表2 應(yīng)力值超過(guò)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的節(jié)點(diǎn)編號(hào)及應(yīng)力

由表2可知，各主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，這些部位可發(fā)展較大塑形變形而不破壞，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可以調(diào)整為1.2×235＝282MPa（按《鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CECS 235：2008）中4.2.4條及條文說(shuō)明規(guī)定，β取

［1］ 童樂(lè)為，孫建東，王斌，等.空間KK形圓管搭接節(jié)點(diǎn)靜力性能試驗(yàn)研究與有限元分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2013（2）：91－98.

［2］ 聶建國(guó)，秦凱，肖巖.方鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究及非線性有限元分析［J］.工程力學(xué)，2006（23）：99－109.

［3］ 陳敏，邢棟，趙陽(yáng)，等.世博軸陽(yáng)光谷鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究及有限元分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010（5）：34－41.

［4］ 邢麗，趙陽(yáng)，董石麟，等.矩形鋼管焊接空心球節(jié)點(diǎn)承載能力的有限元分析與試驗(yàn)研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2006，40（9）：1559－1563.

The Finite Element Analysis of the Joint of Chinese Animation Museum

JIN Shaowu，LI Hong，HU Shuaijun，WANG Yizheng
（School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

This paper takes the Chinese Animation Museum as an example.Based on the calculation result by using Sap2000，this paper carries out the finite element analysis and calculation of the node load on the rod end force as nodes.ANSYS is used to check and calculate the strength of the key node positions of the project，to ensure the safety and reliability of engineering.

Chinese Animation Museum；joint；ANSYS

TU311.41

A

［責(zé)任編校：張巖芳］

1003－4684（2017）04－0119－02

2016－06－28

金紹武（1992－），男，湖北襄陽(yáng)人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榈缆放c橋梁工程