[发明专利]一种焊接箱型截面钢节点多尺度有限元建模方法

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；