1. 引言

傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計與分析流程為：在結(jié)構(gòu)設(shè)計模型中找出結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位；手動提取關(guān)鍵部位節(jié)點的幾何信息、材質(zhì)信息、約束關(guān)系和內(nèi)力信息；根據(jù)節(jié)點幾何信息通過直接建模或?qū)氲姆绞皆?/span> Abaqus 等商用有限元軟件中建立節(jié)點有限元模型；然后根據(jù)材質(zhì)信息、約束關(guān)系和內(nèi)力信息在有限元軟件 Abaqus 等中進行節(jié)點有限元分析。

 

采用這種流程存在以下不便：1）從結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件中手動提取計算節(jié)點信息過程繁瑣，且容易出錯；2）在通用有限元軟件中建立節(jié)點三維模型，建模過程復雜，且不便于修改，通過導入創(chuàng)建的節(jié)點三維模型，可能存在幾何錯誤或者無法正確的劃分網(wǎng)格；3）在 Abaqus中根據(jù)材質(zhì)信息、約束關(guān)系和內(nèi)力信息進行有限元分析，操作過程較多，對于一般鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點，基本都是相近的操作步驟；4）在分析節(jié)點數(shù)量較多的情況下，上述流程工作量大，且大多都是重復性步驟，效率低下。

 

基于上述節(jié)點三維建模問題，利用 V5 Automation 的 CATIA 二次開發(fā)技術(shù)（彭歡，2012；胡適，2006），開發(fā)了根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計模型，如 SAP2000 軟件計算模型，自動提取關(guān)鍵部位的節(jié)點幾何信息創(chuàng)建精細化節(jié)點模型的插件。該插件功能為：1）提取結(jié)構(gòu)設(shè)計模型中節(jié)點的材質(zhì)信息、約束關(guān)系和內(nèi)力信息；2）對簡單節(jié)點，如相貫焊節(jié)點、焊接球節(jié)點自動設(shè)計計算，并按照規(guī)范對節(jié)點進行承載力計算；3）根據(jù)幾何信息自動創(chuàng)建節(jié)點參數(shù)化精細三維模型；4）可以同時創(chuàng)建節(jié)點的殼單元模型和實體模型。

 

針對上述在 Abaqus 中建立有限元模型效率地下的問題，通過 Python 語言編寫了生成Abaqus 批處理語句的腳本。腳本通過上述插件提取出的節(jié)點計算信息，自動根據(jù)預定義的Abaqus 樣板文件，生成批處理語句。將批處理語句在 Abaqus 命令欄運行，即可快速在模型中添加荷載和約束等信息，完成有限元計算模型的創(chuàng)建。

 

2. 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計與分析流程

基于 CATIA 和 Abaqus 進行快速鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計與分析的工作流程如圖 1 所示。整個流程大體分為三個部分：前處理、設(shè)計計算和后處理。

 

 

圖 1. 節(jié)點設(shè)計與分析流程

 

1）前處理：通過開發(fā)的 CATIA 插件，提取結(jié)構(gòu)分析模型中的幾何信息及內(nèi)力分析結(jié)果，整理得到需要分析節(jié)點的幾何信息、材質(zhì)信息、約束關(guān)系和內(nèi)力信息。

 

2）設(shè)計計算：通過開發(fā)的 CATIA 插件，根據(jù)節(jié)點數(shù)據(jù)進行節(jié)點區(qū)設(shè)計計算，并結(jié)合規(guī)范（中國工程建設(shè)標準化協(xié)會，2010；中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2010）中的公式對節(jié)點進行承載力驗算。

 

3）后處理：通過開發(fā)的 CATIA 插件，創(chuàng)建節(jié)點有限元模型，該模型可直接導入到有限元軟件 Abaqus 中，結(jié)合創(chuàng)建的 Abaqus 腳本及樣板文件，快速進行節(jié)點有限元計算。

 

3. 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計與分析關(guān)鍵技術(shù)

3.1 創(chuàng)建精細化節(jié)點模型

開發(fā)的 CATIA 插件創(chuàng)建不同類型節(jié)點的三維模型的方式有兩種。建模方式一為按照手動創(chuàng)建節(jié)點的步驟及規(guī)范計算自動創(chuàng)建節(jié)點，適用于建模流程相對簡單的節(jié)點。按照此種方法創(chuàng)建的典型節(jié)點類型有相貫焊節(jié)點和焊接空心球節(jié)點。建模方式二適用于建模過程相對繁雜的節(jié)點，這種方式采用先創(chuàng)建節(jié)點參數(shù)化模板，通過程序驅(qū)動模板中的參數(shù)得到需要的節(jié)點模型。支座節(jié)點、拉索節(jié)點和部分梁柱節(jié)點等均按照建模方式二創(chuàng)建。圖 2 為四分叉柱節(jié)點的模板文件三維圖，左側(cè)框中為該節(jié)點模板的部分參數(shù)。

 

 

圖 2. 四分叉柱節(jié)點模板三維圖

 

通過上述兩種建模方式，開發(fā)的插件可以批量快速地創(chuàng)建節(jié)點三維模型，部分節(jié)點類型的三維模型圖如圖 3 所示。

 

 

圖 3. 節(jié)點零件三維實體模型

 

3.2 創(chuàng)建節(jié)點有限元分析模型

開發(fā)的 CATIA 插件創(chuàng)建的實體模型可以直接導入 Abaqus 用于有限元計算，創(chuàng)建的實體模型及在 Abaqus 中劃分網(wǎng)格如圖 4 所示。

 

 

圖 4. 軟件創(chuàng)建的實體模型及劃分網(wǎng)格圖

 

桿件壁厚較小的節(jié)點進行有限元分析時，由于節(jié)點實體模型在壁厚方向劃分網(wǎng)格數(shù)較少，有限元計算精度不高，因此需要建立節(jié)點的殼模型。

 

節(jié)點的殼模型往往會因為桿件與桿件之間的殼相互接觸部位不精確而無法在有限元計算軟件中劃分網(wǎng)格，或者劃分的網(wǎng)格相互獨立從而得到錯誤的計算結(jié)果。如圖 5（a）所示，兩根桿件均劃分了網(wǎng)格，但桿件與桿件之間的網(wǎng)格并無聯(lián)系，按照此模型計算將無法得到正確的計算結(jié)果。因此在創(chuàng)建節(jié)點殼模型時，需要使桿件與桿件之間的具有精確的分界線，才可以在有限元軟件正確的劃分網(wǎng)格，如圖 5（b）所示兩桿之間網(wǎng)格不是獨立的。使節(jié)點殼模型桿件與桿件之間具有精確的分界線這一過程在在 Abaqus 中操作復雜且很難實現(xiàn)。

 

 

圖 5. 殼模型劃分網(wǎng)格

 

開發(fā)的插件按照桿件的生成順序依次提取節(jié)點實體模型表面得到每個桿件的殼模型，然后將節(jié)點桿與桿之間連接部分殼分離出來，使面與面的接觸部分具有精確的分界線，最后整合所有的殼單元得到節(jié)點的殼模型。按照這種殼模型的處理方式，軟件導出的節(jié)點殼模型用于有限元計算時均能正確的劃分網(wǎng)格，圖 6 為通過插件創(chuàng)建的一個節(jié)點殼模型及劃分網(wǎng)格圖。

 

 

圖 6. 軟件創(chuàng)建的殼模型及劃分網(wǎng)格

 

3.3 基于 Abaqus 進行有限元分析

基于 Abaqus 進行有限元分析主要分為 5 個步驟：1）結(jié)合經(jīng)驗和項目特點定義 Abaqus樣板文件；2）運行 Python 腳本，讀取中間文件，生成 Abaqus 批處理語句；3）在 Abaqus軟件運行命令框運行批處理語句；4）按照一定規(guī)則劃分網(wǎng)格（陸新征，2008），提交分析工作，進行有限元計算；5）計算工作完成，分析有限元計算結(jié)果。

 

 

圖 7. 生成的部分 Abaqus 批處理語句

 

在 Abaqus 樣板文件中需要定義節(jié)點材質(zhì)、節(jié)點桿件和計算參數(shù)等通用參數(shù)，運行 Python

腳本生成的 Abaqus 批處理語句部分內(nèi)容如圖 7 所示。在 Abaqus 運行命令框運行批處、理語句中的內(nèi)容，即可在模型中賦予節(jié)點桿件截面、添加參考點、添加局部坐標系、定義桿件荷載，定義邊界關(guān)系，完成創(chuàng)建有限元模型過程中絕大部分的定義工作。

 

上述采用節(jié)點隔離體分析方法是將周圍桿件的內(nèi)力作為外荷載施加于節(jié)點上，簡化邊界

條件開展有限元計算。該模型無法考慮節(jié)點變形對整個網(wǎng)殼的影響，其邊界條件也需要進行簡化。

 

隔離體分析方法與實際情況存在一定差距，為了反應(yīng)節(jié)點域在整個加載過程中的動力響應(yīng)和局部節(jié)點變形對整體結(jié)構(gòu)變形的影響，多尺度建模技術(shù)應(yīng)運而生（張慎，2019）。多尺度有限元模型可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力情況，將結(jié)構(gòu)的不同部位采用不同類型的單元來離散，形成多個不同尺度的有限元模型，并采用位移約束方程實現(xiàn)各種尺度有限元模型之間的連接，能夠同時給出節(jié)點區(qū)域和整體結(jié)構(gòu)的力學行為。在 Abaqus 軟件中，可以使用*Coupling 技術(shù)進行建模，建立節(jié)點域?qū)嶓w有限元模型與整體結(jié)構(gòu)桿件模型之間的位移耦合約束，從而實現(xiàn)節(jié)點域與整體模型的共同受力，Abaqus 多點約束連接如圖 8 所示。

 

 

圖 8. Abaqus 多點約束連接示意圖

 

多尺度模型建模的思路是；通過開發(fā)的 CATIA 插件，對節(jié)點域精細化建模；通過 Python腳本對三維模型進行處理得到有限元分析模型；將結(jié)構(gòu)分析軟件的非節(jié)點區(qū)域桿件和節(jié)點信息提取出來得到整體桿件分析模型；通過多尺度耦合將計算域的自由度耦合起來，得到多尺度計算分析模型。

 

4. 工程實例

4.1 某環(huán)保電廠側(cè)墻桁架節(jié)點復核

該環(huán)保電廠總用地面積約 26 萬㎡，建筑面積約 186144 ㎡。該垃圾發(fā)電廠建成后，將是全球單廠規(guī)模最大、標準最高的垃圾焚燒發(fā)電廠。該電廠主廠房外圍一圈透空維護鋼結(jié)構(gòu)，高度 66.6 米，維護結(jié)構(gòu)側(cè)墻桁架采用雙層桁架，底部為圓形，直徑 326 米。

 

4.1.1 篩選分析節(jié)點

該項目需要對側(cè)墻桁架所有鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點進行驗算，節(jié)點形式均為相貫焊節(jié)點，驗算內(nèi)容包括規(guī)范公式驗算和有限元分析。

 

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析軟件 Midas Gen 中模型桿件內(nèi)力，選取典型節(jié)點進行分析。選取思路為：按照水平桁架形成的圓環(huán)分層；按照節(jié)點桿件數(shù)量及桿件定位對部分層組合；每個組合按照在包絡(luò)荷載組合下，軸力最大的水平桁架與垂直桁架相交的節(jié)點的方式分別選擇內(nèi)外側(cè)節(jié)點。

 

最終總共挑選 17 個典型節(jié)點進行驗算，分別取每個節(jié)點桿件軸力最大的荷載組合為該節(jié)點的最不利荷載組合，在最不利荷載組合下提取節(jié)點桿件的內(nèi)力作為分析荷載進行規(guī)范公式驗算和有限元分析。

 

4.1.2 節(jié)點信息處理及設(shè)計計算

通過開發(fā)的 CATIA 插件，讀取并整理 Midas Gen 軟件輸出的項目分析結(jié)果 mgt 文件，得到所有需要分析節(jié)點的幾何信息、材質(zhì)信息、約束關(guān)系和桿件內(nèi)力信息。

 

根據(jù)上述信息區(qū)分各相貫焊節(jié)點主次桿，并根據(jù)規(guī)范公式對節(jié)點進行驗算，將驗算結(jié)果輸出到 EXCEL 中，圖 9 為一個節(jié)點按照規(guī)范公式驗算得到的結(jié)果。

 

 

圖 9. 規(guī)范公式驗算節(jié)點結(jié)果表格

 

4.1.3 創(chuàng)建節(jié)點三維模型

通過開發(fā)的 CATIA 插件和上述整理得到節(jié)點信息，按照前文所述建模方式一批量在CATIA 軟件中創(chuàng)建節(jié)點的三維模型。節(jié)點區(qū)桿件長度按照一定的規(guī)則選?。ㄚw鵬飛，2013）。節(jié)點由桿件按照主管、直徑和壁厚由大到小的順序依次相貫得到。圖 10 為創(chuàng)建的一個節(jié)點的三維模型。

 

 

圖 10. 節(jié)點區(qū)三維模型

 

4.1.4 節(jié)點有限元分析

首先，需根據(jù)項目特點定義 Abaqus 計算樣板文件，在樣板文件中需要定義以下通用參數(shù)：1）節(jié)點材質(zhì)，節(jié)點鋼材均為 Q345，鋼材應(yīng)立-應(yīng)變曲線采用雙折線模型。鋼材屈服強度取為相應(yīng)材料的名義屈服強度（屈服強度標準值）；2）節(jié)點桿件截面，預定義項目節(jié)點需要用到的所有截面，包括截面厚度、材質(zhì)等信息。

 

 

圖 11. 節(jié)點邊界條件

 

將在 CATIA 中創(chuàng)建的文件，導入 Abaqus 樣板文件中。運行 python 腳本，讀取整理好的節(jié)點信息，生成 Abaqus 批處理語句。在 Abaqus 運行命令框運行批處理語句中的內(nèi)容，即可在模型中賦予節(jié)點桿件截面、添加參考點、添加局部坐標系、定義桿件荷載，定義邊界關(guān)系，完成有限元模型絕大部分的定義工作。定義工作完成的節(jié)點有限元模型如圖 11 所示。

 

 

圖 12. 節(jié)點區(qū)網(wǎng)格劃分示意圖

 

 

圖 13. 節(jié)點 Mises 應(yīng)力和塑性應(yīng)變云圖

 

最后，劃分節(jié)點網(wǎng)格，有限元模型采用 S4R 殼單元，全局網(wǎng)格布種間距均為 20mm，節(jié)點區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖如圖 12 所示。網(wǎng)格劃分完成后，提交有限元分析工作，進行有限元分析。分析完成的一個節(jié)點有限元分析結(jié)果如圖 13 所示。

 

4.2 某大跨度空間結(jié)構(gòu)屋蓋節(jié)點多尺度分析

按照本文講述的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析流程，對某大跨度空間結(jié)構(gòu)鋼屋蓋節(jié)點進行多尺度分

析。通過開發(fā) CATIA 插件快速創(chuàng)建本項目節(jié)點域節(jié)點殼單元模型，導入到 Abaqus 軟件中。節(jié)點域構(gòu)件均采用殼單元（S4RS3R 單元）模擬，其余構(gòu)件采用梁單元（B31 單元）進行模擬，兩種單元自由度類型不一致，需要進行多尺度耦合處理。這里采用常用的動態(tài)耦合（*Kinematic Coupling）的方式將兩種單元關(guān)聯(lián)節(jié)點進行耦合，兩種單元的連接方式如圖 14所示。采用多尺度方法能夠為節(jié)點區(qū)域提供準確的邊界條件，給出整體結(jié)構(gòu)和局部節(jié)點域?qū)嶋H的受力行為，分析結(jié)果如圖 15 所示。

 

 

圖 14. 屋蓋節(jié)點多尺度連接示意圖

 

 

圖 15. 整體結(jié)構(gòu)和節(jié)點應(yīng)力云圖

 

5. 結(jié)語

1）根據(jù) CATIA 二次開發(fā)和建模特點，利用 Visual Basic 語言開發(fā)了基于 CATIA 的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計插件。該插件讀取結(jié)構(gòu)分析軟件輸出的分析結(jié)果，整理得到需要分析節(jié)點的幾何信息、材質(zhì)信息、約束關(guān)系和內(nèi)力信息。省去了節(jié)點信息提取過程中的繁瑣流程，篩去重復工作，提高了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計與分析的工作效率。

 

3）開發(fā)的 CATIA 插件具有節(jié)點承載力驗算和創(chuàng)建節(jié)點有限元計算分析模型的功能。節(jié)點承載力驗算功能可以批量對項目中能通過規(guī)范公式驗算的節(jié)點進行驗算。創(chuàng)建節(jié)點有限元計算分析模型功能解決了復雜節(jié)點有限元計算模型創(chuàng)建的難題，并且可以用于創(chuàng)建項目的多尺度分析模型。結(jié)合這兩種功能，可以實現(xiàn)對項目中所有節(jié)點的分析驗算。

 

3）通過 Python 語言開發(fā)的批處理腳本，可以快速的根據(jù)節(jié)點幾何模型和提取的信息完成在 Abaqus 中添加節(jié)點桿件截面、添加參考點、添加局部坐標系、定義桿件荷載、定義邊界關(guān)系等絕大部分有限分析過程中的定義工作，大大提高了節(jié)點有限元分析工作的效率。

 

資料來源：達索官方