一種焊接箱型截面鋼節點多尺度有限元建模方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及土木工程結構健康監測領域，具體涉及一種焊接箱型截面鋼節點多尺 度有限元建模方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，大型土木工程結構建筑日新月異，大型網架結構的應用也日趨廣泛。用于 網架結構的節點類型通常有焊接或螺接鋼板節點，焊接空心球節點，螺栓球節點，相貫節點 和鑄鋼節點等。
[0003] 有限元模型分為單尺度有限元模型和多尺度有限元模型兩大類。傳統的有限元模 型通常建立在宏觀單一整體大尺度上，在荷載作用下，結構的局部細節由于有限元模型尺 度較粗糙，不能有很好的感應和受荷表現，所以傳統的有限元模型已不能滿足所需采集的 結構健康監測信息的需求。而多尺度有限元模型是結合單一大尺度和精細小尺度進行有限 元建模，得到的整體模型不僅能和傳統單尺度有限元模型一樣獲得結構整體信息，還能獲 得結構關鍵部位局部細節信息，使有限元模型更加精確，與結構真實行為更加逼近的同時， 建模復雜程度，計算量，計算時間與整體結構單一尺度下的精細化模型相比更加簡單，計算 量更少，不費時。
[0004] 當前結構健康監測技術的應用日趨廣泛，但其仍存在以下兩大缺陷：（1)用于健 康監測系統的傳感器安裝數量有限，不能監測結構所有局部關鍵部位；（2)由于大型土木 建筑結構的復雜性和空間變異性，傳感器的安裝位置未必是結構理想的局部關鍵部位。因 此，僅僅基于健康監測系統采集到的信息對結構在建和運營期間進行監測是不夠的。對結 構建立有限元模型來輔助結構健康監測，模擬結構真實行為是有必要的。
【發明內容】
[0005] 有鑒于此，本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種焊接箱型截面鋼節 點多尺度有限元建模方法。
[0006] 為實現以上目的，本發明采用如下技術方案：一種焊接箱型截面鋼節點多尺度有 限元建模方法，該方法包括以下步驟：
[0007]S1、在ANSYS有限元軟件中選取用于多尺度建模的單元類型組合；
[0008]S2、對焊接箱型截面鋼節點進行初步幾何建模；
[0009]S3、通過調整每根桿件方向點來確保桿件在空間結構中的方向正確；
[0010]S4、刪除桿件相交處相互貫穿于桿件內部的多余部分，以符合各桿件間焊接截面 的特性；
[0011]S5、對節點完整幾何模型中各桿件1/3長度賦予實體單元屬性，2/3長度賦予梁單 元屬性，并對不同單元類型進行粗糙網格，精細網格劃分，得到節點多尺度有限元模型；
[0012]S6、對節點梁單元與實體單元相交處建立剛域連接，使梁單元與實體單元間變形 一致，協同作用，得到完整的焊接箱型截面鋼節點的多尺度有限元模型。
[0013] 進一步地，所述步驟S2中幾何建模時，對于各桿件間存在交角使得各桿件相交處 存在縫隙、相交面不能完全閉合的問題，采用填補體的方法使各桿件相交處完全閉合。
[0014] 進一步地，所述填補體的方法具體為：在沿線延伸建成體時，不要以各桿件的交點 為終點，而是在距離該交點處前端預留出一段，使各桿件間不直接在交點處相交，即在生成 體后預留出一段空白；取未相交的兩桿件相對的兩個矩形面的各四個端點，用生成體命令 直接將兩端相對的桿件的空白處填補，使桿件交點處很好的連接且無縫隙。
[0015] 進一步地，所述步驟S3中，通過桿件兩端的坐標值和桿件截面轉角的第三個點的 坐標值來確保桿件的方向正確；或者，
[0016] 通過桿件兩端的坐標值和桿件與其它桿件的轉角值來確保桿件的方向正確。
[0017] 進一步地，所述的焊接箱型之桿件幾何體為十六面體。
[0018] 進一步地，所述步驟S5中，首先將原為一個十六面體的箱型桿件分成八個六面體 建模，并對改進后的幾何模型進行六面體網格劃分。
[0019] 進一步地，對于桿件上產生與各桿件相交處公共的新面采用四面體網格劃分。
[0020] 進一步地，實體單元采用的自底向上的建模順序，梁單元采用的是自頂向下的建 模順序；梁單元與實體單元的對接處，各單元間桿件轉角方向一致，且實體單元的網格劃分 比梁單元網格劃分精細。
[0021] 進一步地，所述的步驟S6中梁單元與實體單元之間需要建立連接，使兩者共同作 用，位移協調；具體采用約束方程法和MPC法來處理不同單元類型間的連接問題：所述約束 方程法用于規定單元的某個節點自由度與其他單元的某個或某些節點的自由度的關系，其
關系式為： .式中，i為節點標號；N為節點數；Ck為系數；uk為某一節點的 > 自由度；Q為常數項；
[0022] 所述MPC法即多點約束方程，通過內部生成多點的約束方程來實現不同單元間自
由度不同的節點的連接，其關系式為 式中，i辛k為主自由度；uk為從 9 自由度；Ci為權系數；C^為常數項，i，k分別為主節點、從節點某個自由度的下標號。
[0023] 本發明有益效果為：本發明結合多尺度有限元模型的獨特優點，提出焊接箱型截 面鋼節點的多尺度有限元建模方法，輔助結構健康監測系統，獲取焊接箱型截面節點局部 細節信息，模擬結構真實行為，確保結構安全。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發明焊接箱型截面鋼節點多尺度有限元建模方法流程圖；
[0025] 圖2是本發明焊接箱型截面鋼節點MIDAS模型；
[0026] 圖3是本發明圖2初步建完的節點幾何模型之節點正面圖；
[0027] 圖4是本發明圖2初步建完的節點幾何模型之節點背面圖；
[0028] 圖5是本發明圖2初步建完的節點幾何模型之節點相交處縫隙圖；
[0029] 圖6是本發明桿件截面漸變詳圖；
[0030] 圖7是本發明桿件方向錯誤示意圖；
[0031]圖8是本發明修改后的箱型焊接節點幾何模型
[0032] 圖9是本發明節點內部多余部分示意圖；
[0033] 圖10是本發明節點內部多余部分刪除后示意圖；
[0034] 圖11是本發明箱型桿件十六面體示意圖；
[0035] 圖12是本發明箱型桿件六面體示意圖；
[0036] 圖13是本發明六面體網格劃分前示意圖；
[0037] 圖14是本發明六面體網格劃分后示意圖；
[0038] 圖15是本發明桿件新生成的公共面1，2面示意圖；
[0039] 圖16是本發明桿件新生成的公共面3,4面示意圖；
[0040] 圖17是本發明節點網格劃分正面圖；
[0041] 圖18是本發明節點網格劃分背面圖；
[0042] 圖19是本發明梁單元與實體單元的轉角偏差示意圖；
[0043] 圖20是本發明多尺度有限元模型正面；
[0044] 圖21是本發明多尺度有限元模型背面；
[0045] 圖22是本發明梁單元與實體單元間的剛域結構示意圖。
【具體實施方式】
[0046] 下面將結合附圖對本發明作進一步說明：
[0047] 本發明中焊接箱型截面鋼節點的節點類型不同于常用的各類球型節點，焊接箱型 截面桿件施工工藝要求較高，其節點類型新穎，節點受各被焊的箱型桿件綜合作用，受力復 雜，結合上述多尺度有限元模型，建立焊接箱型截面鋼節點多尺度有限元模型來獲取節點 局部細節信息。由于焊接箱型截面鋼節點形式新穎，且日漸被用于大型網架結構中，起著支 撐網架結構，連接結構中各桿件，傳遞并分配力矩的重要作用。故此，如圖1所示，本發明 提供一種焊接箱型截面鋼節點多尺度有限元建模方法，特別是基于梁單元與實體單元相結 合，粗糙網格劃分與精細網格劃分相結合的焊接箱型鋼節點多尺度有限元建模。
[0048] 該方法包括以下步驟：
[0049] S1、在ANSYS有限元軟件中選取用于多尺度建模的單元類型組合；
[0050] S2、對焊接箱型截面鋼節點進行初步幾何建模；
[0051] S3、通過調整每根桿件方向點來確保桿件在空間結構中的方向正確；
[0052] S4、刪除桿件相交處相互貫穿于桿件內部的多余部分，以符合各桿件間焊接截面 的特性；
[0053] S5、對節點完整幾何模型中各桿件1/3長度賦予實體單元屬性，2/3長度賦予梁單 元屬性，并對不同單元類型進行粗糙網格，精細網格劃分，得到節點多尺度有限元模型；
[0054] S6、對節點梁