1. 引言

传统的钢结构节点设计与分析流程为：在结构设计模型中找出结构关键部位；手动提取关键部位节点的几何信息、材质信息、约束关系和内力信息；根据节点几何信息通过直接建?；虻既氲姆绞皆?/span> Abaqus 等商用有限元软件中建立节点有限元模型；然后根据材质信息、约束关系和内力信息在有限元软件 Abaqus 等中进行节点有限元分析。

 

采用这种流程存在以下不便：1）从结构设计软件中手动提取计算节点信息过程繁琐，且容易出错；2）在通用有限元软件中建立节点三维模型，建模过程复杂，且不便于修改，通过导入创建的节点三维模型，可能存在几何错误或者无法正确的划分网格；3）在 Abaqus中根据材质信息、约束关系和内力信息进行有限元分析，操作过程较多，对于一般钢结构节点，基本都是相近的操作步骤；4）在分析节点数量较多的情况下，上述流程工作量大，且大多都是重复性步骤，效率低下。

 

基于上述节点三维建模问题，利用 V5 Automation 的 CATIA 二次开发技术（彭欢，2012；胡适，2006），开发了根据结构设计模型，如 SAP2000 软件计算模型，自动提取关键部位的节点几何信息创建精细化节点模型的插件。该插件功能为：1）提取结构设计模型中节点的材质信息、约束关系和内力信息；2）对简单节点，如相贯焊节点、焊接球节点自动设计计算，并按照规范对节点进行承载力计算；3）根据几何信息自动创建节点参数化精细三维模型；4）可以同时创建节点的壳单元模型和实体模型。

 

针对上述在 Abaqus 中建立有限元模型效率地下的问题，通过 Python 语言编写了生成Abaqus 批处理语句的脚本。脚本通过上述插件提取出的节点计算信息，自动根据预定义的Abaqus 样板文件，生成批处理语句。将批处理语句在 Abaqus 命令栏运行，即可快速在模型中添加荷载和约束等信息，完成有限元计算模型的创建。

 

2. 钢结构节点设计与分析流程

基于 CATIA 和 Abaqus 进行快速钢结构节点设计与分析的工作流程如图 1 所示。整个流程大体分为三个部分：前处理、设计计算和后处理。

 

 

图 1. 节点设计与分析流程

 

1）前处理：通过开发的 CATIA 插件，提取结构分析模型中的几何信息及内力分析结果，整理得到需要分析节点的几何信息、材质信息、约束关系和内力信息。

 

2）设计计算：通过开发的 CATIA 插件，根据节点数据进行节点区设计计算，并结合规范（中国工程建设标准化协会，2010；中华人民共和国住房和城乡建设部，2010）中的公式对节点进行承载力验算。

 

3）后处理：通过开发的 CATIA 插件，创建节点有限元模型，该模型可直接导入到有限元软件 Abaqus 中，结合创建的 Abaqus 脚本及样板文件，快速进行节点有限元计算。

 

3. 钢结构节点设计与分析关键技术

3.1 创建精细化节点模型

开发的 CATIA 插件创建不同类型节点的三维模型的方式有两种。建模方式一为按照手动创建节点的步骤及规范计算自动创建节点，适用于建模流程相对简单的节点。按照此种方法创建的典型节点类型有相贯焊节点和焊接空心球节点。建模方式二适用于建模过程相对繁杂的节点，这种方式采用先创建节点参数化模板，通过程序驱动模板中的参数得到需要的节点模型。支座节点、拉索节点和部分梁柱节点等均按照建模方式二创建。图 2 为四分叉柱节点的模板文件三维图，左侧框中为该节点模板的部分参数。

 

 

图 2. 四分叉柱节点模板三维图

 

通过上述两种建模方式，开发的插件可以批量快速地创建节点三维模型，部分节点类型的三维模型图如图 3 所示。

 

 

图 3. 节点零件三维实体模型

 

3.2 创建节点有限元分析模型

开发的 CATIA 插件创建的实体模型可以直接导入 Abaqus 用于有限元计算，创建的实体模型及在 Abaqus 中划分网格如图 4 所示。

 

 

图 4. 软件创建的实体模型及划分网格图

 

杆件壁厚较小的节点进行有限元分析时，由于节点实体模型在壁厚方向划分网格数较少，有限元计算精度不高，因此需要建立节点的壳模型。

 

节点的壳模型往往会因为杆件与杆件之间的壳相互接触部位不精确而无法在有限元计算软件中划分网格，或者划分的网格相互独立从而得到错误的计算结果。如图 5（a）所示，两根杆件均划分了网格，但杆件与杆件之间的网格并无联系，按照此模型计算将无法得到正确的计算结果。因此在创建节点壳模型时，需要使杆件与杆件之间的具有精确的分界线，才可以在有限元软件正确的划分网格，如图 5（b）所示两杆之间网格不是独立的。使节点壳模型杆件与杆件之间具有精确的分界线这一过程在在 Abaqus 中操作复杂且很难实现。

 

 

图 5. 壳模型划分网格

 

开发的插件按照杆件的生成顺序依次提取节点实体模型表面得到每个杆件的壳模型，然后将节点杆与杆之间连接部分壳分离出来，使面与面的接触部分具有精确的分界线，最后整合所有的壳单元得到节点的壳模型。按照这种壳模型的处理方式，软件导出的节点壳模型用于有限元计算时均能正确的划分网格，图 6 为通过插件创建的一个节点壳模型及划分网格图。

 

 

图 6. 软件创建的壳模型及划分网格

 

3.3 基于 Abaqus 进行有限元分析

基于 Abaqus 进行有限元分析主要分为 5 个步骤：1）结合经验和项目特点定义 Abaqus样板文件；2）运行 Python 脚本，读取中间文件，生成 Abaqus 批处理语句；3）在 Abaqus软件运行命令框运行批处理语句；4）按照一定规则划分网格（陆新征，2008），提交分析工作，进行有限元计算；5）计算工作完成，分析有限元计算结果。

 

 

图 7. 生成的部分 Abaqus 批处理语句

 

在 Abaqus 样板文件中需要定义节点材质、节点杆件和计算参数等通用参数，运行 Python

脚本生成的 Abaqus 批处理语句部分内容如图 7 所示。在 Abaqus 运行命令框运行批处、理语句中的内容，即可在模型中赋予节点杆件截面、添加参考点、添加局部坐标系、定义杆件荷载，定义边界关系，完成创建有限元模型过程中绝大部分的定义工作。

 

上述采用节点隔离体分析方法是将周围杆件的内力作为外荷载施加于节点上，简化边界

条件开展有限元计算。该模型无法考虑节点变形对整个网壳的影响，其边界条件也需要进行简化。

 

隔离体分析方法与实际情况存在一定差距，为了反应节点域在整个加载过程中的动力响应和局部节点变形对整体结构变形的影响，多尺度建模技术应运而生（张慎，2019）。多尺度有限元模型可以根据结构的受力情况，将结构的不同部位采用不同类型的单元来离散，形成多个不同尺度的有限元模型，并采用位移约束方程实现各种尺度有限元模型之间的连接，能够同时给出节点区域和整体结构的力学行为。在 Abaqus 软件中，可以使用*Coupling 技术进行建模，建立节点域实体有限元模型与整体结构杆件模型之间的位移耦合约束，从而实现节点域与整体模型的共同受力，Abaqus 多点约束连接如图 8 所示。

 

 

图 8. Abaqus 多点约束连接示意图

 

多尺度模型建模的思路是；通过开发的 CATIA 插件，对节点域精细化建模；通过 Python脚本对三维模型进行处理得到有限元分析模型；将结构分析软件的非节点区域杆件和节点信息提取出来得到整体杆件分析模型；通过多尺度耦合将计算域的自由度耦合起来，得到多尺度计算分析模型。

 

4. 工程实例

4.1 某环保电厂侧墙桁架节点复核

该环保电厂总用地面积约 26 万㎡，建筑面积约 186144 ㎡。该垃圾发电厂建成后，将是全球单厂规模最大、标准最高的垃圾焚烧发电厂。该电厂主厂房外围一圈透空维护钢结构，高度 66.6 米，维护结构侧墙桁架采用双层桁架，底部为圆形，直径 326 米。

 

4.1.1 筛选分析节点

该项目需要对侧墙桁架所有钢结构节点进行验算，节点形式均为相贯焊节点，验算内容包括规范公式验算和有限元分析。

 

根据结构分析软件 Midas Gen 中模型杆件内力，选取典型节点进行分析。选取思路为：按照水平桁架形成的圆环分层；按照节点杆件数量及杆件定位对部分层组合；每个组合按照在包络荷载组合下，轴力最大的水平桁架与垂直桁架相交的节点的方式分别选择内外侧节点。

 

最终总共挑选 17 个典型节点进行验算，分别取每个节点杆件轴力最大的荷载组合为该节点的最不利荷载组合，在最不利荷载组合下提取节点杆件的内力作为分析荷载进行规范公式验算和有限元分析。

 

4.1.2 节点信息处理及设计计算

通过开发的 CATIA 插件，读取并整理 Midas Gen 软件输出的项目分析结果 mgt 文件，得到所有需要分析节点的几何信息、材质信息、约束关系和杆件内力信息。

 

根据上述信息区分各相贯焊节点主次杆，并根据规范公式对节点进行验算，将验算结果输出到 EXCEL 中，图 9 为一个节点按照规范公式验算得到的结果。

 

 

图 9. 规范公式验算节点结果表格

 

4.1.3 创建节点三维模型

通过开发的 CATIA 插件和上述整理得到节点信息，按照前文所述建模方式一批量在CATIA 软件中创建节点的三维模型。节点区杆件长度按照一定的规则选?。ㄕ耘舴?，2013）。节点由杆件按照主管、直径和壁厚由大到小的顺序依次相贯得到。图 10 为创建的一个节点的三维模型。

 

 

图 10. 节点区三维模型

 

4.1.4 节点有限元分析

首先，需根据项目特点定义 Abaqus 计算样板文件，在样板文件中需要定义以下通用参数：1）节点材质，节点钢材均为 Q345，钢材应立-应变曲线采用双折线模型。钢材屈服强度取为相应材料的名义屈服强度（屈服强度标准值）；2）节点杆件截面，预定义项目节点需要用到的所有截面，包括截面厚度、材质等信息。

 

 

图 11. 节点边界条件

 

将在 CATIA 中创建的文件，导入 Abaqus 样板文件中。运行 python 脚本，读取整理好的节点信息，生成 Abaqus 批处理语句。在 Abaqus 运行命令框运行批处理语句中的内容，即可在模型中赋予节点杆件截面、添加参考点、添加局部坐标系、定义杆件荷载，定义边界关系，完成有限元模型绝大部分的定义工作。定义工作完成的节点有限元模型如图 11 所示。

 

 

图 12. 节点区网格划分示意图

 

 

图 13. 节点 Mises 应力和塑性应变云图

 

最后，划分节点网格，有限元模型采用 S4R 壳单元，全局网格布种间距均为 20mm，节点区域网格划分示意图如图 12 所示。网格划分完成后，提交有限元分析工作，进行有限元分析。分析完成的一个节点有限元分析结果如图 13 所示。

 

4.2 某大跨度空间结构屋盖节点多尺度分析

按照本文讲述的钢结构设计与分析流程，对某大跨度空间结构钢屋盖节点进行多尺度分

析。通过开发 CATIA 插件快速创建本项目节点域节点壳单元模型，导入到 Abaqus 软件中。节点域构件均采用壳单元（S4RS3R 单元）模拟，其余构件采用梁单元（B31 单元）进行模拟，两种单元自由度类型不一致，需要进行多尺度耦合处理。这里采用常用的动态耦合（*Kinematic Coupling）的方式将两种单元关联节点进行耦合，两种单元的连接方式如图 14所示。采用多尺度方法能够为节点区域提供准确的边界条件，给出整体结构和局部节点域实际的受力行为，分析结果如图 15 所示。

 

 

图 14. 屋盖节点多尺度连接示意图

 

 

图 15. 整体结构和节点应力云图

 

5. 结语

1）根据 CATIA 二次开发和建模特点，利用 Visual Basic 语言开发了基于 CATIA 的钢结构节点设计插件。该插件读取结构分析软件输出的分析结果，整理得到需要分析节点的几何信息、材质信息、约束关系和内力信息。省去了节点信息提取过程中的繁琐流程，筛去重复工作，提高了钢结构节点设计与分析的工作效率。

 

3）开发的 CATIA 插件具有节点承载力验算和创建节点有限元计算分析模型的功能。节点承载力验算功能可以批量对项目中能通过规范公式验算的节点进行验算。创建节点有限元计算分析模型功能解决了复杂节点有限元计算模型创建的难题，并且可以用于创建项目的多尺度分析模型。结合这两种功能，可以实现对项目中所有节点的分析验算。

 

3）通过 Python 语言开发的批处理脚本，可以快速的根据节点几何模型和提取的信息完成在 Abaqus 中添加节点杆件截面、添加参考点、添加局部坐标系、定义杆件荷载、定义边界关系等绝大部分有限分析过程中的定义工作，大大提高了节点有限元分析工作的效率。

 

资料来源：达索官方