一种焊接箱型截面钢节点多尺度有限元建模方法

摘要

本发明提供一种焊接箱型截面钢节点多尺度有限元建模方法，包括：S1、在ANSYS有限元软件中选取用于多尺度建模的单元类型组合；S2、对焊接箱型截面钢节点进行初步几何建模；S3、通过调整每根杆件方向点来确保杆件在空间结构中的方向正确；S4、删除杆件相交处相互贯穿于杆件内部的多余部分，以符合各杆件间焊接截面的特性；S5、对节点完整几何模型中各杆件1/3长度赋予实体单元属性，2/3长度赋予梁单元属性，并进行粗糙网格，精细网格划分，得到节点多尺度有限元模型；本发明结合多尺度有限元模型的独特优点，提出焊接箱型截面钢节点的多尺度有限元建模方法，辅助结构健康监测系统，获取焊接箱型截面节点局部细节信息，模拟结构真实行为，确保结构安全。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程结构健康监测领域，具体涉及一种焊接箱型截面钢节 点多尺度有限元建模方法。

背景技术

近年来，大型土木工程结构建筑日新月异，大型网架结构的应用也日趋广 泛。用于网架结构的节点类型通常有焊接或螺接钢板节点，焊接空心球节点， 螺栓球节点，相贯节点和铸钢节点等。

有限元模型分为单尺度有限元模型和多尺度有限元模型两大类。传统的有 限元模型通常建立在宏观单一整体大尺度上，在荷载作用下，结构的局部细节 由于有限元模型尺度较粗糙，不能有很好的感应和受荷表现，所以传统的有限 元模型已不能满足所需采集的结构健康监测信息的需求。而多尺度有限元模型 是结合单一大尺度和精细小尺度进行有限元建模，得到的整体模型不仅能和传 统单尺度有限元模型一样获得结构整体信息，还能获得结构关键部位局部细节 信息，使有限元模型更加精确，与结构真实行为更加逼近的同时，建模复杂程 度，计算量，计算时间与整体结构单一尺度下的精细化模型相比更加简单，计 算量更少，不费时。

当前结构健康监测技术的应用日趋广泛，但其仍存在以下两大缺陷：(1) 用于健康监测系统的传感器安装数量有限，不能监测结构所有局部关键部位； (2)由于大型土木建筑结构的复杂性和空间变异性，传感器的安装位置未必是 结构理想的局部关键部位。因此，仅仅基于健康监测系统采集到的信息对结构 在建和运营期间进行监测是不够的。对结构建立有限元模型来辅助结构健康监 测，模拟结构真实行为是有必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种焊接箱型截 面钢节点多尺度有限元建模方法。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种焊接箱型截面钢节点多 尺度有限元建模方法，该方法包括以下步骤：

S1、在ANSYS有限元软件中选取用于多尺度建模的单元类型组合；

S2、对焊接箱型截面钢节点进行初步几何建模；

S3、通过调整每根杆件方向点来确保杆件在空间结构中的方向正确；

S4、删除杆件相交处相互贯穿于杆件内部的多余部分，以符合各杆件间焊 接截面的特性；

S5、对节点完整几何模型中各杆件1/3长度赋予实体单元属性，2/3长度赋 予梁单元属性，并对不同单元类型进行粗糙网格，精细网格划分，得到节点多 尺度有限元模型；

S6、对节点梁单元与实体单元相交处建立刚域连接，使梁单元与实体单元 间变形一致，协同作用，得到完整的焊接箱型截面钢节点的多尺度有限元模型。

进一步地，所述步骤S2中几何建模时，对于各杆件间存在交角使得各杆件 相交处存在缝隙、相交面不能完全闭合的问题，采用填补体的方法使各杆件相 交处完全闭合。

进一步地，所述填补体的方法具体为：在沿线延伸建成体时，不要以各杆 件的交点为终点，而是在距离该交点处前端预留出一段，使各杆件间不直接在 交点处相交，即在生成体后预留出一段空白；取未相交的两杆件相对的两个矩 形面的各四个端点，用生成体命令直接将两端相对的杆件的空白处填补，使杆 件交点处很好的连接且无缝隙。

进一步地，所述步骤S3中，通过杆件两端的坐标值和杆件截面转角的第三 个点的坐标值来确保杆件的方向正确；或者，

通过杆件两端的坐标值和杆件与其它杆件的转角值来确保杆件的方向正 确。

进一步地，所述的焊接箱型之杆件几何体为十六面体。

进一步地，所述步骤S5中，首先将原为一个十六面体的箱型杆件分成八个 六面体建模，并对改进后的几何模型进行六面体网格划分。

进一步地，对于杆件上产生与各杆件相交处公共的新面采用四面体网格划 分。

进一步地，实体单元采用的自底向上的建模顺序，梁单元采用的是自顶向 下的建模顺序；梁单元与实体单元的对接处，各单元间杆件转角方向一致，且 实体单元的网格划分比梁单元网格划分精细。

进一步地，所述的步骤S6中梁单元与实体单元之间需要建立连接，使两 者共同作用，位移协调；具体采用约束方程法和MPC法来处理不同单元类型间 的连接问题：所述约束方程法用于规定单元的某个节点自由度与其他单元的某 个或某些节点的自由度的关系，其关系式为：式中，i为节点 标号；N为节点数；C_k为系数；u_k为某一节点的自由度；C₀为常数项；

所述MPC法即多点约束方程，通过内部生成多点的约束方程来实现不同 单元间自由度不同的节点的连接，其关系式为：式中，i≠k； u_i为主自由度；u_k为从自由度；C_i为权系数；C₀为常数项，i,k分别为主节点、 从节点某个自由度的下标号。

本发明有益效果为：本发明结合多尺度有限元模型的独特优点，提出焊接 箱型截面钢节点的多尺度有限元建模方法，辅助结构健康监测系统，获取焊接 箱型截面节点局部细节信息，模拟结构真实行为，确保结构安全。

附图说明

图1是本发明焊接箱型截面钢节点多尺度有限元建模方法流程图；

图2是本发明焊接箱型截面钢节点MIDAS模型；

图3是本发明图2初步建完的节点几何模型之节点正面图；

图4是本发明图2初步建完的节点几何模型之节点背面图；

图5是本发明图2初步建完的节点几何模型之节点相交处缝隙图；

图6是本发明杆件截面渐变详图；

图7是本发明杆件方向错误示意图；

图8是本发明修改后的箱型焊接节点几何模型

图9是本发明节点内部多余部分示意图；

图10是本发明节点内部多余部分删除后示意图；

图11是本发明箱型杆件十六面体示意图；

图12是本发明箱型杆件六面体示意图；

图13是本发明六面体网格划分前示意图；

图14是本发明六面体网格划分后示意图；

图15是本发明杆件新生成的公共面1，2面示意图；

图16是本发明杆件新生成的公共面3，4面示意图；

图17是本发明节点网格划分正面图；

图18是本发明节点网格划分背面图；

图19是本发明梁单元与实体单元的转角偏差示意图；

图20是本发明多尺度有限元模型正面；

图21是本发明多尺度有限元模型背面；

图22是本发明梁单元与实体单元间的刚域结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明：

本发明中焊接箱型截面钢节点的节点类型不同于常用的各类球型节点，焊 接箱型截面杆件施工工艺要求较高，其节点类型新颖，节点受各被焊的箱型杆 件综合作用，受力复杂，结合上述多尺度有限元模型，建立焊接箱型截面钢节 点多尺度有限元模型来获取节点局部细节信息。由于焊接箱型截面钢节点形式 新颖，且日渐被用于大型网架结构中，起着支撑网架结构，连接结构中各杆件， 传递并分配力矩的重要作用。故此，如图1所示，本发明提供一种焊接箱型截 面钢节点多尺度有限元建模方法，特别是基于梁单元与实体单元相结合，粗糙 网格划分与精细网格划分相结合的焊接箱型钢节点多尺度有限元建模。

该方法包括以下步骤：

S1、在ANSYS有限元软件中选取用于多尺度建模的单元类型组合；

S2、对焊接箱型截面钢节点进行初步几何建模；

S3、通过调整每根杆件方向点来确保杆件在空间结构中的方向正确；

S4、删除杆件相交处相互贯穿于杆件内部的多余部分，以符合各杆件间焊 接截面的特性；

S5、对节点完整几何模型中各杆件1/3长度赋予实体单元属性，2/3长度赋 予梁单元属性，并对不同单元类型进行粗糙网格，精细网格划分，得到节点多 尺度有限元模型；

S6、对节点梁单元与实体单元相交处建立刚域连接，使梁单元与实体单元 间变形一致，协同作用，得到完整的焊接箱型截面钢节点的多尺度有限元模型。

焊接箱型节点由箱型截面杆件焊接而成,通常有一根主杆件作为被焊杆件, 其余杆件均焊接在主杆件上。焊接箱型节点一般用于大型网架结构中，作为连 接网架中各杆件的关键枢纽，起到传递并分配力和力矩的作用。焊接箱型节点 多尺度有限元建模过程与螺栓球节点或焊接球节点不同，建模过程比较繁杂， 需要着重解决的问题较多。首先，箱型截面杆件间相交处的节点存在交角，如 何处理杆件间的交角使相对的杆件间不存在缝隙；其次，箱型杆件不同于圆形 钢管，方形钢管存在方向性，如何正确把握箱型杆件间的方向是另一重点问题； 再者，焊接箱型节点不同于相贯节点，如何确保有效删除建模过程中杆件内部 相互贯穿的多余部分，且保证被焊杆件的截面完整性，需要着重考虑；最后， 对多尺度模型网格划分，对于被焊杆件上产生的公共面，如何考虑网格划分至 关重要。

下面采用钢混结构中一焊接箱型截面钢节点为例，详细展开讲述该类节点 的多尺度有限元建模方法，并附图说明。该节点的实际情况如图2所示，图2 为节点的MIDAS单尺度模型。该节点存在渐变面，即竖向杆件由三根杆件构 成，包括端部两根杆件和中部杆件相汇处的截面渐变的一根杆件。该节点共由 九根杆件焊接而成，存在渐变面，局部受力复杂。由于建立多尺度有限元模型 为的是考虑结构关键部位局部细节信息，故取杆件长度1/3进行实体单元建模。

下面对步骤S1的实施作进一步的详述，

本实施例子中采用ANSYS有限元软件进行多尺度建模，与ABQUS，MIDAS 等有限元软件相比，ANSYS在建立结构精细模型和分析结构局部细节信息时更 精确。ANSYS中主要有杆单元，管单元，梁单元，2D实体单元，3D实体单元， 壳单元六种单元类型用于结构有限元建模。其中，杆单元适用于模拟桁架，缆 索，链杆，弹簧等构件。且杆单元只能承受杆轴向的拉压，不承受弯矩，节点 只有平动自由度，与小贝壳钢结构杆件间焊接可传递弯矩的受力类型不符。梁 单元，管单元是一种具有轴向拉压，弯曲，扭转的3D单元。其中管单元常用 于管结构中。2D实体单元是一类可用于平面应力，平面应变和轴对称分析的平 面单元，每个节点的自由度均为两个，即UX和UY，其仅用于模拟平面单元， 此处显然不适用于三维结构有限元建模。3D实体单元用于模拟三维实体结构， 此类单元每个节点均具有三个平动自由度。壳单元常用于模拟平板和曲壳一类 结构，壳单元比梁单元和实体单元要复杂得多，其需要设置的单元选项很多。 焊接箱型截面钢节点不属于平板或曲壳类结构，且壳单元相比实体单元而言， 获得的结构信息没有实体单元详细，故不选用壳单元进行建模。

综上所述，通过对不同种类单元的适用场合和使用条件的对比，采用梁单 元beam188与3D实体单元solid185相结合的单元类型组合对节点进行多尺度 建模

现对步骤S2作进一步的详述，步骤S2中对焊接箱型截面钢节点进行初步 几何建模，重点是箱型杆件间相交处的节点处理：所述步骤S2中几何建模时， 对于各杆件间存在交角使得各杆件相交处存在缝隙，相交面不能完全闭合的问 题，采用填补体的方法使各杆件相交处完全闭合。

本实施例中焊接箱型节点几何模型采用的是自底向上，即通过建立关键点， 再由关键点生成较高级的图素，如线、面、体。

初步建完的节点几何模型如图3和4所示。此时各杆件间相互独立，没有 任何粘结作用。进行布尔GLUE运算，把各杆件间粘结在一起，使它们共同作用。 由于杆件间通过建立面，沿线拉伸而成体，在交点处存在较大缝隙，并不能很 好的闭合，如图5所示。这是因为各杆件间存在一定交角，并不是规则的垂直 或平行相交，在进行布尔运算时，ANSYS系统一直给出警告存在容差问题。解 决此类矩形杆件的焊接处相交问题一般有两种方法：第一种，在沿线延伸建成 体时，不要以各杆件的交点为终点，而是在距离该交点处前端预留出一段，使 各杆件间不直接在交点处相交，即在生成体后预留出一段空白。取未相交的两 杆件相对的两个矩形面的各四个端点，用生成体命令直接将两端相对的杆件的 空白处填补，使杆件交点处很好的连接且无缝隙。第二种，将相交的两根杆件 中的一根沿杆件方向延长，另一根杆件建立时则相对缩短，使延长的杆件与缩 短的根杆件不在原交点处相交，而是相交于杆件延长处，最后用分割命令把多 余部分分割后并删除，以使两根杆件很好的相交，符合工程实际。

对于示例节点而言，图2标示出该节点存在渐变截面，本实施例中采用第 一种方法，通过减小延伸长度，把两杆间的缝隙放大，在缝隙处直接生成一个 体来填补空隙，且成功考虑了渐变截面，如图6所示。

下面对步骤S3作进一步说明：

焊接箱型截面构件截面是矩形的，不同于圆形截面钢管。圆形钢管与其他 杆件相交时不具有方向性，即杆件相交时不存在截面转角度数问题。故圆形截 面构件在建模时只需要知道杆件两端点坐标即可，而方形截面杆件在建模时， 除了要给出杆件两端关键点的坐标值，还需要知道确定杆件截面转角的第三个 点的坐标值或者杆件与其他杆件的转角值。如图7文字标示，杆件由于没有找 对方向点而使其与其他杆件的夹角与实际情况不符。故在矩形截面杆件建模时， 需要提前确定杆件的方向。

对节点模型进行缝隙填补，及校正各杆件的方向点后，节点几何模型由之 前的九根杆件组成增加为十一根杆件组成，即杆件相汇处的截面渐变杆件由一 根杆件分成一根直杆和两根渐变截面杆件，修改后的模型如图8所示。

下面对步骤S4作进一步说明：

由于节点模型是由面沿杆件方向拉伸至同一节点而成，各杆件间延伸至被 焊杆件内部，产生多余部分，如图9所示，为删除图中内部多余部分，在进行 分割运算时选用VSBA命令，即面分割体命令会得到理想的焊接效果。分割并删 除多余部分后如图10所示。

下面对步骤S5作进一步说明：

在完成节点小尺度实体单元的几何建模后，下一步工作是网格划分，即将 几何模型转化为有限元模型。网格划分有六面体网格划分和四面体网格划分， 六面体网格划分与四面体网格划分相比，划分后的单元具有更加规则和精细的 优点。

六面体网格划分的条件更为严格，在ANSYS中，要将几何体全部划分为六 面体单元，必须满足如下条件：

(1)几何体的外形必须为四面体、规则五面体(楔形体或棱柱)、块状六面体。

(2)几何体的两两对边间划分后的单元数必须相等，或其符合过度网格划分的 条件；

(3)如果该几何体为四面体或棱柱，则几何体中三角形面上网格划分后的单元 数必须为偶数。

纵观以上三个条件，结合自身几何模型的建模过程，本实施例中建立的箱 型杆件几何体并非块状或棱柱等外形，而是一个16面体，如图11所示。这对 于ANSYS的六面体网格划分条件而言，并不满足。

为了得到更加准确精细的网格，实现六面体网格划分，将原为一个十六面 体的箱型杆件分成八个六面体建模，得到由八个六面体组成的箱型杆件如图12 所示。

对焊接箱型节点几何模型进行布尔运算，将各杆件粘接处理后，图13标示 a为进行网格划分的杆件上产生与各杆件相交处公共的新面，如图15和16所 示，杆件四个面均产生共有的新面。这使得在对标示杆件网格划分时，需要考 虑网格划分的尺寸，如何使新生成的网格线与已进行划分的各杆件的共有面的 边界线对齐，给网格划分增加了附加条件，带来了一定困难。由于不满足六面 体网格划分条件，最终只能对图示标记杆件采用四面体网格划分。其余杆件可 进行六面体网格划分，六面体网格划分后的效果如图14所示。整体节点实体单 元网格划分效果如图17和18所示。

本节点采用的是实体单元与梁单元相结合的多尺度有限元模型，建完节点 实体单元部分后，下一步建立节点杆件剩余2/3长度的梁单元。在建立梁单元 时需要注意的问题是，由于杆件梁单元与实体单元建立的先后顺序不同，在梁 单元与实体单元的对接处，应保证各单元间杆件转角方向一致，即二者之间不 应出现如图19所示的转角偏差。

图20和图21为梁单元与实体单元相结合的节点多尺度有限元模型。建立 焊接箱型节点多尺度有限元模型为的是重点考虑节点关键部位的受荷信息，故 只取杆件1/3长度建立实体单元，杆件剩余2/3长度建立梁单元。其中，梁单 元的建立相对实体单元比较简单，直接赋予几何线段梁单元属性，采用ANSYS 默认的六面体网格划分设置，生成梁单元。从图20和图21中可以看出，实体 单元的网格划分不同于梁单元网格划分，比梁单元网格划分精细。

下面对步骤S6作进一步说明：

在梁单元与实体单元没有建立连接的情况下，二者在结构受荷时会产生相 互贯穿，不能共同作用的情况。因此，梁单元与实体单元之间还需要建立连接， 使两者共同作用，变形协调，应变连续。

使用约束方程法和MPC法两种方法来处理不同单元类型间的连接问题。

所述的约束方程法具体如下：

不同尺度的单元的单元自由度不同。ANSYS中对于不同自由度的单元连接 问题，常采用约束方程法。约束方程法用于规定单元的某个节点自由度与其他 单元的某个或某些节点的自由度的关系。

约束方程法的一般关系式为：

其中，i为节点标号；N为节点数；C_k为系数；u_k为某一节点的自由度；C₀为常数项。

所述的MPC法具体如下：

MPC法即多点约束方程(Multipoint Constraint)。对于梁单元与实体单元的 组合，当两单元间的接触定义为无间隙或绑定时，可采用此方法，它不需要相 交处节点的位置一一对应，通过内部生成多点的约束方程来实现不同单元间自 由度不同的节点的连接。

MPC的一般关系式为：式中，i≠k；u_i为主自由度；u_k为从自 由度；C_i为权系数；C₀为常数项，i,k分别为主节点、从节点某个自由度的下标 号。

在两种约束方法效果相近的情况下，在需要建立刚域的实体单元面上节点 数不多的情况下，采用约束方程法中的刚域法更为简便。故本发明采用约束方 程法，以梁单元端点为主节点，实体单元面上所有节点为从节点来建立刚域， 将不同单元进行有效连接。ANSYS通过自动建立约束方程，将连接主节点和从 节点的自由度通过约束方程生成刚性线，而具有公共节点的刚性线连接为刚性 面或刚性体，以此创建一个刚性区域，操作简单。且考虑到所建立的刚域涉及 到局部单元，该局部单元的应力也不宜采用，特别是网格密度不同时，其数值 相差较大。故实体单元建模长度取杆件长度的1/3，确保不同单元间的连接处远 离局部关键部位信息有效提取。建成的刚性区域如图14所示。

在对梁单元与实体单元间建立刚域时，需要注意实体单元每个节点只有 UX,UY,UZ三个位移自由度，而梁单元每个节点有UX,UY,UZ,ROTX,ROTY,ROTZ三个 转角自由度和三个位移自由度，共六个自由度。建立约束时只需要约束不同尺 度单元间一一对应节点的UXYZ三个位移自由度即可实现梁单元与实体单元间 不仅能传递力，还能传递力矩，二者协同工作的目的。如果在连接处约束六个 自由度，即在使用ANSYS中CERIG命令时选择ALL,则会因为实体单元不具有旋 转自由度使ANSYS发出警告，当警告数量超出限额，ANSYS会自动关闭，不能 进行下一步计算。

综上，得到焊接箱型截面钢节点的完整多尺度有限元模型如图22所示。

本发明从辅助结构健康监测角度出发，针对这一类节点形式，提出焊接箱 型截面钢节点的多尺度有限元建模方法。上述实施例中采用ANSYS有限元软件， 建立以实体单元和梁单元相结合，精细网格划分与粗糙网格划分相结合的多尺 度有限元模型。首先，对箱型焊接节点不同部位进行实体单元与梁单元建模， 并进行不同尺度的网格划分。其次，对不同尺度的有限元模型建立连接，使梁 单元与实体单元能够共同作用，且与整体结构协同工作。从多尺度有限元模型 的建立，到最后不同尺度的有限元模型建立连接，完成整个多尺度有限元模型 的建立，实现更好的辅助监测结构真实行为的目的。