基于ANSYS軟件的節點滯回性能可靠性驗證方法分析

張海風

（河南交通職業技術學院，河南 鄭州 450000）

0 引言

在結構工程強度分析計算中，有限元軟件模擬計算方法已成為一種應用廣泛并且方便高效的數值分析方法[1]。但在實際應用中，由于種種條件限制，很多借助于軟件的模擬分析，沒有與之對應的試驗做參照驗證，這樣無法知道在計算機模擬過程中的數據輸入、單元選擇與劃分、材料屬性定義、約束與荷載的施加以及模擬方法和思路等是否正確。為了保證計算機軟件模擬的精度和可靠性，可以進行可靠性試驗算例驗證，即選擇權威學者公開發表的試驗數據，采用選擇的計算機軟件模擬方法進行模擬，模擬的結果與公開發表的試驗數據進行對比，如果分析結果與試驗結果相似度較高，相差較小，則證明采用的模擬方法具有較高的精度和可靠性，則可以用所采用的模擬方法進行后續或者所需的模擬計算分析。關于試驗選擇，應盡量選取與模擬模型相同或相似的試驗。

本文以利用ANSYS有限元軟件模擬T型鋼管節點滯回性能的研究為例，對已有T型鋼管節點滯回性能的試驗進行模擬，對比模擬得到的數據曲線和參照試驗得到的數據曲線，驗證利用ANSYS軟件采取有限元模擬方法的可靠性。

1 參照試驗選擇

1.1 試驗介紹

選擇重慶大學學報所發表的何遠賓研究的T型節點滯回性能試驗做參照[2]，將ANSYS軟件模擬得到的滯回曲線與試驗得到的滯回曲線做對比，驗證本模擬方法的可靠性。

該試驗選用鋼管T型節點，試件的反復荷載加載裝置為2臺50T的MTS液壓千斤頂，荷載采用軸向加載，施加于直向支管的一端，主管一端只限制三個方向的位移但可以轉動，由2個地錨螺栓前后固定在地槽上，為防止主管發生傾斜，用和主管尺寸大小一樣的管件一端連接主管，另一端固定在反力墻上，同樣不限制上端連接處的轉動自由。主管的直徑大小為219mm、長度是2030mm，鋼管厚度為5.7mm，支管直徑、壁厚和長度（到主管中心）分別為102mm、4.03mm 和1020mm。節點試件安裝圖見圖1。本試驗選用位移控制的加載方式如圖2，即每循環加載一次使構件達到設定的位移值為準。

圖1 節點試件安裝圖

圖2 位移控制加載過程

1.2 試驗結果

試驗滯回曲線為位移和荷載的關系圖，x軸為位移值，y軸為荷載值，描點即可得到滯回曲線，其中荷載值由專業電子測量儀器讀出,位移值由加于桿端的位移計測量讀出，得到滯回曲線，見圖3。

圖3 試驗測得滯回曲線

2 ANSYS有限元模擬

2.1 創建幾何模型

幾何模型的創建方法較多，可在ANSYS中直接建模，也可先在繪圖軟件中建立三維模型再導入到ANSYS中。考慮到參照試驗的幾何數據，若采用直接在ANSYS中建模的辦法較為繁瑣，所以本文選擇在AutoCAD軟件中采用三維建模，保存為sat格式，然后導入到ANSYS中。

2.2 選擇計算單元

ANSYS中有豐富多樣的計算單元可供選用，其中桿單元主要用于桿件，梁單元主要用于梁構件，殼單元主要用于厚度較薄的構件如鋼管，除此之外，還有最為常用的實體單元[3]。本文的計算模型均為壁厚較薄的鋼管，相當于一個薄壁結構，所以既可以選用實體單元，也可以選用板殼單元，但通過兩種單元的計算對比發現：實體單元很難穩定收斂到某一個解，但是板殼單元很快就能夠穩定收斂到一個解。因此如果選用實體單元，網格需要劃分得足夠精細，導致計算量過大，而計算量過大又會導致誤差累計的問題，使計算結果偏差較大。因此，本計算模型選用板殼單元。

板殼單元也有多種，如果厚度較薄或至中等的殼結構都適用于SHELL181單元，而且該單元不僅可以考慮線性問題，也可以解決非線性大應變的問題，均布壓力也可考慮進去。

在SHELL181單元內默認為厚度是均勻變化的，如果該單元處厚度相等，只需要在一個節點輸入厚度值即可。如果該單元的厚度不同，那么在不同節點處輸入不同厚度即可。考慮到本計算模型的特征，選用SHELL181單元。

2.3 理想化多線性模型的建立

由于本模型所模擬的加載過程是正反兩向反復循環加載變形，存在反向塑性變形的問題，所以應考慮包辛格效應。包辛格在金屬材料的力學性能實驗中發現對金屬正向加載時，金屬材料會出現塑性應變強化的現象，但是在反向加載過程中又會出現塑性應變弱化和屈服極限變小的現象。

ANSYS通過所用的強化準則把包辛格效應的影響施加到模型上，主要有隨動強化準則和等向強化準則兩種準則，對規定屈服面進行矯正。隨動強化的屈服面在沿屈服方向的平移過程中面積大小保持不變。等向強化屈服面在平移過程中面積隨塑性流動在各個方向均勻擴大。對于小應變低周循環荷載，大多數材料符合隨動強化準則的變化規律。所以本模型選用隨動強化準則。對于隨動強化準則，ANSYS支持雙線性、多線性和非線性三種不同的曲線形式，本文選用多線性隨動強化模型。在ANSYS中，多線性隨動強化常用的有MKIN（固定表）和KINH（通用表）兩個類型，均對金屬的小應變塑性分析有效且符合Mise屈服準則。本文選用通用表通過輸入應力應變數據點來定義應力—應變曲線。

應力-應變曲線是由鋼材的單向拉伸試驗描點得到。該曲線精確地表達了鋼材的應力和應變的一一對應關系，但將該曲線完美輸入到有限元軟件較為困難，因為該曲線直線段較少，大多為曲線段，通過描點工作和輸入點坐標將此曲線嵌入多線性隨動強化模型中，需要很大的工作量。但本計算模型需要Q345結構鋼的應力-應變曲線，而且是多線性模型，因此把鋼材靜力作用下的應力-應變曲線，簡化為理想化的多線性模型：屈服強度為345MPa，抗拉強度為550MPa，彈性模量為EX=2.06E11，泊松比PRX=0.3，強化階段屈服極限和強度極限之間的斜率即切線模量取為彈性模量的1%，即2.06E9。

2.4 定義單元常數

本節點模型采用SHELL181單元，由于圓鋼管厚度均勻，故在real constant對話框中四個節點處輸入統一的厚度即可。但由于鋼管節點的主管與支管厚度不同，所以要定義兩組單元常數，以實現對主管和支管設置不同的厚度。

2.5 劃分單元

網格劃分方式有多種，其中自由劃分最方便易行，但由于其劃分的單元很不規則，其計算效果和精度很差。比較好的劃分方法是面映射劃分和體映射劃分，由于本模型選取殼單元，所以選用適用于殼單元的面映射劃分，而體映射劃分主要適用于solid實體單元。網格劃分時可以手動設定劃分精度的大小，如對一條線進行多少等分或每一等分的長度是多少，對一個面進行多少等分，或每一個等分面的面積大小是多少。由于單元劃分的大小與最后的計算精度有著直接的聯系，對一個單元具體劃分為多大要根據實際情況來確定。劃分越是精細，計算結果也越精準，但是計算量也會隨之增多。沒有必要在受力影響較小的部位網格劃分過小，但在構件的主要受力部位或主要研究部位需要對網格進行細化，以達到計算量與計算精度的最好平衡。

對T型鋼管節點的網格劃分采用面映射劃分網格和自由劃分網格相結合的方式。由于相貫節點附近形狀較為復雜，采用自由劃分的方式，遠離相貫節點的區域采用映射劃分網格的方式。T型相貫節點主要受力區域在鋼管相交區域，為使分析結果更為精確，對相交區域附近網格進行加密[4]。

2.6 施加約束及荷載

對相貫節點主管兩端施加三個方向的全部約束，支管一端為自由端，在支管端施加平行支管方向的位移荷載，施加位移荷載時，在支管端部建立剛域，使該域內節點的自由度耦合到該域中間一點即支管端部的圓心，荷載直接施加在該點即可[5]。

2.7 模擬結果

采用有限元數值模擬得到的滯回曲線見圖4所示。

圖4 軟件模擬得到的滯回曲線

3 結束語

通過對比采用有限元數值模擬和試驗得到的滯回曲線可以看出，數值分析結果與試驗結果吻合度較高，曲線飽滿度和承載力相差較小。有限元得到的滯回曲線更加規律和飽滿，這應該是由于有限元軟件模擬沒有考慮焊縫以及殘余應力的影響。模擬得到的承載力極限值略低于試驗結果，這應該是由于試驗的約束力邊界條件比有限元模擬分析強造成的。驗證了本文所采用的有限元數值模擬方法的適用性和可靠性，可以用所采用的模擬方法進行后續或者所需的模擬計算分析。