钢结构梁柱节点是框架结构传力的关键部位其抗震性能直接影响整体结构的安全性。在强震作用下节点区域受力状态复杂容易出现螺栓滑移、钢材屈服及局部屈曲等非线性行为。传统物理试验成本高、周期长难以覆盖多样化的设计工况而高精度数值仿真技术则能在设计阶段预测破坏模式、优化构造细节有效提升结构延性与抗震安全储备。为此FastCAE团队基于FastCAE生态版底座集成ACISMeshGems商业引擎与OCCGmsh开源引擎两套技术方案开发了结构通用软件FastCAE-Structure。该软件能够灵活对接各类结构求解器支持结构静力学、动力学等多种工程仿真分析为钢结构抗震设计与韧性评估提供可靠的技术支撑。下面结合钢结构梁柱节点案例对该软件的操作流程进行详细介绍核心操作流程1创建几何模型切换几何模块后可利用工具栏中的已有功能通过拉伸、旋转、扫掠等方式进行模型的创建与切削完成模型的创建。图1 模型创建也可通过点击菜单栏中的文件导入部件导入梁柱节点几何文件如下图 2所示。软件目前支持*sat*stp等几何文件格式导入。图2 模型导入2材料属性几何创建完成后可切换到属性模块进行材料创建与赋予点击工具箱中的创建材料功能进行材料定义见图3本算例采用的钢构件均为 Q355 钢钢柱型号为40a钢梁型号为25a螺栓为 10.9 级 M20 摩擦型高强螺栓。图3. 材料创建请注意软件本身不内置单位体系所有计算均基于用户输入数值进行。因此在建模过程中必须采用一致的单位体系否则将导致计算结果失真。本算例采用 N-mm-MPa 单位体系。本算例采用两种材料相同的参数为质量密度设置为7.85e-9 t/mm3弹性模量为210000 MPa泊松比0.3具体见下图4所示。图4 材料定义钢材和螺栓的本构模型分别为三折线模型和三段式模型两种材料关键塑性参数设置如下图5所示。图5 塑性参数对比材料创建完成后可进行截面创建分别创建钢材和螺栓两种材料截面如下图6所示图6 创建截面将创建的截面指派给相应的部件成功赋予属性后几何模型会显示绿色。如图7所示。图7 创建截面3装配切换至装配模块对各部件进行实例化与空间定位。通过平移、旋转、阵列等操作将梁、柱、板及螺栓装配至正确位置形成完整的梁柱节点模型。如图8所示左为导入实例模型右为装配完成后。图8 模型装配4分析步切换至分析步模块设置静力通用分析步在基本信息界面定义时间长度并打开非线性开关见图9所示。图9 分析步创建增量参数设置最大增量步数为10000初始增量步为0.1其他参数设置见图10所示。图10 增量参数设置5相互作用切换至相互作用模块定义各部件之间的接触关系。首先创建相互作用属性接触属性设置两种一种为考虑摩擦系数一种为硬接触具体设置如下图11所示。图11 创建相互作用属性相互作用属性创建完成后可以定义接触定义型钢与高强螺栓帽、钢柱与填板之间为摩擦接触定义螺栓杆与螺栓孔之间的接触为硬接触具体设置如下图12所示。图12 定义面面接触接触设置成功后进行约束定义定义梁与填板之间的约束为绑定约束在柱的两端和梁端分别创建一个RP点并分别与各自端面进行耦合便于后续边界与荷载的施加具体设置如下图13所示。图13 约束设置6边界与荷载切换至荷载模块在耦合点上施加边界和约束条件柱底限制 x、y、z 方向的位移y、z 方向的转角柱顶限制 x、y 方向的位移和 y、z 方向的转角并在 z 反方向施加 1000kN 的轴向压力轴压比为 0.3梁端限制 x 方向的位移和 y、z 方向的转角并在梁端施加低周往复荷载。边界具体设置如下图14所示荷载设置见图15所示。图14 边界设置图15 荷载设置7网格划分切换至网格模块对模型进行离散化处理。首先设置单元类型根据结构特点对钢结构实体单元选择C3D8R单元类型如图16所示。图16 单元类型设置指派网格控制属性选择需要指定的部件定义划分形状和划分技术本算例选择采用扫掠的方式划分六面体网格详细设置见图17所示。图17 指派网格控制属性设定网格划分尺寸点击部件种子按钮进行全局尺寸控制单击为边布种进行网格局部加密设置详细设置窗口见下图18所示。图18 网格布种窗口此案例中设置梁柱部件的全局网格尺寸为8填板全局网格尺寸为4螺栓全局网格尺寸为2螺栓孔处的局部尺寸为1划分结果见图19所示。图19 网格划分结果8计算与后处理全部设置完成后点击文件导出模型导出inp模型文件将文件导入ABAQUS进行计算计算结束后将结果导回软件用户可在后处理模块查看和分析仿真结果。图20 梁柱后处理动画演示视频梁柱节点案例全流程总结本文阐述了基于 FastCAE—Structure 软件对钢结构梁柱节点进行抗震性能仿真的工作流程。此案例表明FastCAE—Structure 结构通用前后处理软件为工程师开展钢结构节点受力性能分析与结构优化提供了高效支撑实现结构设计方案的虚拟迭代验证有效降低试验成本与研发周期。随着工程仿真技术与产业应用的不断发展FastCAE—Structure 将在结构工程分析与数字化设计领域发挥更加重要的作用。我们诚邀有相关需求的企业与工程技术人员开展技术交流与合作共同推动工程仿真技术在实际工程中的深入应用。如有需要欢迎有需要的学者咨询使用。 【FastCAE—Structure案例】钢结构梁柱节点抗震性能仿真分析
钢结构梁柱节点是框架结构传力的关键部位其抗震性能直接影响整体结构的安全性。在强震作用下节点区域受力状态复杂容易出现螺栓滑移、钢材屈服及局部屈曲等非线性行为。传统物理试验成本高、周期长难以覆盖多样化的设计工况而高精度数值仿真技术则能在设计阶段预测破坏模式、优化构造细节有效提升结构延性与抗震安全储备。为此FastCAE团队基于FastCAE生态版底座集成ACISMeshGems商业引擎与OCCGmsh开源引擎两套技术方案开发了结构通用软件FastCAE-Structure。该软件能够灵活对接各类结构求解器支持结构静力学、动力学等多种工程仿真分析为钢结构抗震设计与韧性评估提供可靠的技术支撑。下面结合钢结构梁柱节点案例对该软件的操作流程进行详细介绍核心操作流程1创建几何模型切换几何模块后可利用工具栏中的已有功能通过拉伸、旋转、扫掠等方式进行模型的创建与切削完成模型的创建。图1 模型创建也可通过点击菜单栏中的文件导入部件导入梁柱节点几何文件如下图 2所示。软件目前支持*sat*stp等几何文件格式导入。图2 模型导入2材料属性几何创建完成后可切换到属性模块进行材料创建与赋予点击工具箱中的创建材料功能进行材料定义见图3本算例采用的钢构件均为 Q355 钢钢柱型号为40a钢梁型号为25a螺栓为 10.9 级 M20 摩擦型高强螺栓。图3. 材料创建请注意软件本身不内置单位体系所有计算均基于用户输入数值进行。因此在建模过程中必须采用一致的单位体系否则将导致计算结果失真。本算例采用 N-mm-MPa 单位体系。本算例采用两种材料相同的参数为质量密度设置为7.85e-9 t/mm3弹性模量为210000 MPa泊松比0.3具体见下图4所示。图4 材料定义钢材和螺栓的本构模型分别为三折线模型和三段式模型两种材料关键塑性参数设置如下图5所示。图5 塑性参数对比材料创建完成后可进行截面创建分别创建钢材和螺栓两种材料截面如下图6所示图6 创建截面将创建的截面指派给相应的部件成功赋予属性后几何模型会显示绿色。如图7所示。图7 创建截面3装配切换至装配模块对各部件进行实例化与空间定位。通过平移、旋转、阵列等操作将梁、柱、板及螺栓装配至正确位置形成完整的梁柱节点模型。如图8所示左为导入实例模型右为装配完成后。图8 模型装配4分析步切换至分析步模块设置静力通用分析步在基本信息界面定义时间长度并打开非线性开关见图9所示。图9 分析步创建增量参数设置最大增量步数为10000初始增量步为0.1其他参数设置见图10所示。图10 增量参数设置5相互作用切换至相互作用模块定义各部件之间的接触关系。首先创建相互作用属性接触属性设置两种一种为考虑摩擦系数一种为硬接触具体设置如下图11所示。图11 创建相互作用属性相互作用属性创建完成后可以定义接触定义型钢与高强螺栓帽、钢柱与填板之间为摩擦接触定义螺栓杆与螺栓孔之间的接触为硬接触具体设置如下图12所示。图12 定义面面接触接触设置成功后进行约束定义定义梁与填板之间的约束为绑定约束在柱的两端和梁端分别创建一个RP点并分别与各自端面进行耦合便于后续边界与荷载的施加具体设置如下图13所示。图13 约束设置6边界与荷载切换至荷载模块在耦合点上施加边界和约束条件柱底限制 x、y、z 方向的位移y、z 方向的转角柱顶限制 x、y 方向的位移和 y、z 方向的转角并在 z 反方向施加 1000kN 的轴向压力轴压比为 0.3梁端限制 x 方向的位移和 y、z 方向的转角并在梁端施加低周往复荷载。边界具体设置如下图14所示荷载设置见图15所示。图14 边界设置图15 荷载设置7网格划分切换至网格模块对模型进行离散化处理。首先设置单元类型根据结构特点对钢结构实体单元选择C3D8R单元类型如图16所示。图16 单元类型设置指派网格控制属性选择需要指定的部件定义划分形状和划分技术本算例选择采用扫掠的方式划分六面体网格详细设置见图17所示。图17 指派网格控制属性设定网格划分尺寸点击部件种子按钮进行全局尺寸控制单击为边布种进行网格局部加密设置详细设置窗口见下图18所示。图18 网格布种窗口此案例中设置梁柱部件的全局网格尺寸为8填板全局网格尺寸为4螺栓全局网格尺寸为2螺栓孔处的局部尺寸为1划分结果见图19所示。图19 网格划分结果8计算与后处理全部设置完成后点击文件导出模型导出inp模型文件将文件导入ABAQUS进行计算计算结束后将结果导回软件用户可在后处理模块查看和分析仿真结果。图20 梁柱后处理动画演示视频梁柱节点案例全流程总结本文阐述了基于 FastCAE—Structure 软件对钢结构梁柱节点进行抗震性能仿真的工作流程。此案例表明FastCAE—Structure 结构通用前后处理软件为工程师开展钢结构节点受力性能分析与结构优化提供了高效支撑实现结构设计方案的虚拟迭代验证有效降低试验成本与研发周期。随着工程仿真技术与产业应用的不断发展FastCAE—Structure 将在结构工程分析与数字化设计领域发挥更加重要的作用。我们诚邀有相关需求的企业与工程技术人员开展技术交流与合作共同推动工程仿真技术在实际工程中的深入应用。如有需要欢迎有需要的学者咨询使用。