角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法与流程

本发明涉及角钢塔节点分析技术领域，具体来说，涉及一种角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法。

背景技术：

试验研究是考察节点半刚性性能最直接有效的方法，但是角钢-节点板连接节点构造复杂，可变的几何参数众多，例如角钢的肢宽和肢厚、节点板厚度、螺栓个数、螺栓间距、螺栓直径、螺栓群排列方式、螺栓强度等级和钢材强度等等。受到人力、经济和时间的限制，试验样本不可能覆盖工程节点实际尺寸的各个范围，难以全面地展开研究。目前，计算机硬件水平飞速提升，计算效率很高，所以建立准确的有限元模型进行参数分析成为节点理论分析研究的主流方式之一。

迄今为止，对于角钢-节点板连接节点半刚性性能的研究还不多见，设计人员没有相应的技术规范可循，从而无法推进特高压输电塔半刚性体系设计研究。同时，对角钢-节点板连接节点半刚性性能中一些重要的参数如初始转动刚度和极限弯矩，以及除试验结果之外可能存在的节点破坏模式等问题亟需进一步深入研究。为此，应进行大量的有限元计算，将数值方法和试验方法以及理论方法相结合，为该类型节点半刚性性能的设计提供有力的依据。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法，具有可快速得出螺栓个数对节点的影响的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法，包括如下步骤：

s10、建立模型，其中模型包括角钢、节点板和螺栓；

s20、录入求解控制参数；

s30、根据录入求解控制参数和公式加载求解并得出结果；其中公式为：

kim＝βkit

式中，β为修正系数；kim为修正初始转动刚度，kit为根据理论公式式计算得到的初始转动刚度；

取修正系数β计算式形式如下：

其中，x1～x9为待定系数，e为数学中的自然常数，ng＝10.9或8.8，代表螺栓强度等级。

优选的，在步骤s10中还包括如下步骤：

s101、对模型进行网格划分，形成单元尺寸，将模型的单元尺寸控制在18-22mm，连接处的单元尺寸控制在2-4mm；

s102、对模型进行有限元分析，其中节点板和角钢的泊松比取0.3，忽略自重影响，螺栓为10.9级高强螺栓或8.8级高强螺栓；

s103、建立模型的接触面以及目标面，同时根据有限元分析结果采用最小二乘法进行拟合得到β的计算公式如下：

优选的，在步骤s20中还包括如下步骤：

s201、采用完全牛顿-拉普森方法求解控制参数；

s202、用nlgeom命令设置考虑大变形效应，子步数取50，平衡迭代最大次数取30，打开线性收索、自动时间步和自由度求解预测器。

优选的，在步骤s30中还包括如下步骤：

s301、提取有限元模型中相应计算点的位移数据；

s302、换算出节点的转角，进入post26后处理模块，绘出弯矩-转角全过程曲线。

本发明的有益效果是：

1)通过分析其他条件相同的情况下，螺栓个数对节点初始转动刚度的影响最大，可用来较大地调整节点初始转动刚度；其他因素影响相对较弱，按影响能力的大小依次为螺栓间距、螺栓直径、肢厚、节点板厚和肢宽。

2)通过分析其他条件相同的情况下，增加螺栓个数可以有效地提高节点的极限弯矩。增大螺栓直径、提高主材钢材强度和螺栓间距对提高节点的极限弯矩也有一定作用。对于螺栓剪切破坏控制的节点，主角钢尺寸和节点板厚度对节点的极限弯矩影响很小。此类节点的形状系数n基本上集中在2.06左右。

3)根据有限元结果对初始转动刚度的理论公式进行了修正，修正后的理论公式结果和有限元及试验结果吻合较好。拟合出了kishi-chen模型中的各参数的计算公式，按拟合公式得到的幂函数曲线和试验曲线、理论曲线以及有限元曲线吻合较好，可以为工程设计提供参考。

附图说明

图1是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的单元模型结构示意图；

图2是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的测试件整体结构应力分析示意图；

图3是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的主角钢螺栓应力分析结构示意图；

图4是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的支角钢螺栓应力分析结构示意图；

图5是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的节点板应力分析结构示意图；

图6是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的主角钢应力分结构示意图；

图7是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的支角钢应力分析结构示意图；

图8是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的钢材本构示意图；

图9是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的螺栓本构示意图；

图10是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的节点加载示意图；

图11是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的主角钢和螺帽面接触示意图；

图12是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的节点板和主角钢、螺帽和支角钢接触示意图；

图13是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的支角钢和螺帽接触示意图；

图14是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的螺杆和主角钢螺孔面接触示意图；

图15是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的螺杆和支角钢螺孔面接触示意图；

图16是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的外列螺栓先屈服示意图；

图17是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的螺栓群屈服示意图；

图18是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的主角钢应力示意图；

图19是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的节点板应力示意图；

图20是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的主角钢x向位移示意图；

图21是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的节点板z向位移示意图；

图22是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的试验和有限元节点弯矩-转角曲线对比示意图；

图23是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的主角钢规格对初始刚度的影响示意图；

图24是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的修正理论公式误差带分析示意图；

图25是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的拟合公式误差带分析示意图；

图26是本发明所述的角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法的实施例的试验、理论、有限元和kishi-chen模型的对比示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例1：

一种角钢塔半刚性节点的非线性数据加载方法，包括如下步骤：

s10、建立模型，其中模型包括角钢、节点板和螺栓；

s20、录入求解控制参数；

s30、根据录入求解控制参数和公式加载求解并得出结果；其中公式为：

kim＝βkit

式中，β为修正系数；kim为修正初始转动刚度，kit为根据理论公式式计算得到的初始转动刚度；

取修正系数β计算式形式如下：

其中，x1～x9为待定系数，e为数学中的自然常数，ng＝10.9或8.8，代表螺栓强度等级。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，在步骤s10中还包括如下步骤：

s101、对模型进行网格划分，形成单元尺寸，将模型的单元尺寸控制在18-22mm，连接处的单元尺寸控制在2-4mm；

s102、对模型进行有限元分析，其中节点板和角钢的泊松比取0.3，忽略自重影响，螺栓为10.9级高强螺栓或8.8级高强螺栓；

s103、建立模型的接触面以及目标面，同时根据有限元分析结果采用最小二乘法进行拟合得到β的计算公式如下：

实施例3：

本实施例在实施例1的基础上，在步骤s20中还包括如下步骤：

s201、采用完全牛顿-拉普森方法求解控制参数；

s202、用nlgeom命令设置考虑大变形效应，子步数取50，平衡迭代最大次数取30，打开线性收索、自动时间步和自由度求解预测器。

实施例4：

本实施例在实施例1的基础上，在步骤s30中还包括如下步骤：

s301、提取有限元模型中相应计算点的位移数据；

s302、换算出节点的转角，进入post26后处理模块，绘出弯矩-转角全过程曲线。

实施例5：

创建模型：为准确模拟角钢-节点板连接节点的半刚性特性，本节采用solid95实体单元模拟角钢、节点板和螺栓。solid95是3d20节点结构实体单元，solid45的高阶单元，此单元能够容许不规则形状，并且不会降低精确性，特别适合边界为曲线的模型；同时，其偏移形状的兼容性好，该单元由20个节点定义，每个节点有3个自由度，即沿节点坐标系x、y和z方向的平动位移，此单元在空间的方位任意，单元具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力，并且提供不同的输出项。可退化为四面体单元、五面体的金字塔单元、五面体的棱柱体单元。单元模型如图1所示。

有限元模型如图2-7所示，网格划分时，单元尺寸控制在20mm左右，螺栓处单元尺寸为3mm，经过试算，满足精度要求。有限元分析时钢材的应力-应变关系根据材性试验得到，如图3形式，泊松比取0.3，忽略自重影响。螺栓应力-应变关系如图9所示，建模时10.9级高强螺栓取屈服强度为960mpa，极限强度为1040mpa。8.8级高强螺栓取屈服强度为640mpa，极限强度为830mpa。统一取螺栓极限变形为1.10％。边界条件如图10所示，主角钢一端按固定支座考虑，另一端为仅有沿主角钢轴线方向位移的固定支座。两支角钢端部边界为滑动铰支座，仅允许沿轴线方向有位移。加载方式同试验采用分级加载。

角钢-节点板连接半刚性节点中4个部分可能存在接触关系：节点板和各角钢接触，螺帽和节点板接触，螺帽和各角钢接触，螺杆和各角钢孔壁以及节点板孔壁接触。接触面分为接触面和目标面，其中接触面选用conta174单元，目标面选用targe170单元。接触面的建立如图11-15所示。

设置求解控制参数。

加载求解及查看结果。

有限元模型的验证：有限元模型应能反映节点的基本受力性能。图16-图19是k1节点各部分的应力云图，由图16和图17可知，螺栓以受剪切为主，首先是外列螺栓在剪切面出现屈服，最后是整个螺栓群在剪切面屈服；由图18可知，主角钢与节点板接触的一肢应力较大，螺孔周围出现屈服，属受剪肢，而另一肢应力很小，有单肢受剪的特征；由图19可知，节点板在螺孔周围应力最大，在连接主角钢的螺孔和支角钢螺孔包围区域内节点板的应力较大。

图20是主角钢x向位移云图，图21是节点板z向的位移云图。由图20可知，主角钢的剪切变形主要发生在螺栓群分布范围内，主角钢在螺栓群两侧最外列区域相对剪切变形最大。由图21可知，节点板基本上以螺栓群形心为转动中心，沿弯矩方向转动。有限元模型从受力变形特点上符合试验结果。

表1为有限元计算的节点初始转动刚度和试验值的对比。由表1可知，有限元值较试验值略偏高，平均高出4.29％，这主要是有限元计算时模型的边界条件易于控制，外界干扰少，节点整体受力较现场试验好。总体上有限元值和试验值一致。

各试件试验结果和有限元计算结果对比如图22所示。可知，在弹性阶段，有限元的曲线和试验结果基本吻合，在塑性阶段，有限元计算所得曲线刚度下降较快，使得有限元所得节点极限弯矩较试验值偏低。这主要是因为有限元模型中高强螺栓的本构是按规范值取的，比实际强度可能偏低，从而限制了有限元模型的抗弯承载力，但工程中应适当留有余地(毕竟达到试验承载力时往往螺栓已剪断)。各节点有限元所得曲线和试验结果吻合很好。显然，有限元模型能够较准确反映节点的半刚性性能，可以将来用于参数分析。

表1

参数分析:

角钢-节点板连接节点构造形式独特，影响其半刚性性能的因素很多，如螺栓强度等级，螺栓直径，螺栓个数，螺栓间距，主角钢规格，节点板厚度，钢材强度等。由于试验样本的数量有限，难以对以上各个因素逐一研究，从而影响我们对此类节点系统全面的认识。因此借助经试验校核后的有限元模型进行参数分析是进一步研究所必须的。

参数分析时统一取偏心距e＝200mm。螺栓等级取10.9级或8.8级，变化主角钢肢宽b＝140、160、180、200mm；主角钢肢厚t＝10、12、14、16、18、20、24mm；节点板厚tj＝8、10、12、14、16mm；螺栓直径d＝16、18、22、24、27、30mm；螺栓个数nl＝4、5、6；螺栓间距s＝60、75、90、100、110、120、130mm和钢材强度＝345、390、420、460mpa，共计155个典型节点。考察以上各因素对节点半刚性特性的影响。

表2

初始转动刚度理论公式的修正:

有限元样本点及计算结果见表2所示。由表2可知，理论值随各参数变化规律基本上和有限元结果一致，但数值偏大，通过以下公式对理论值进行修正。

kim＝βkit

式中，β为修正系数；kim为修正初始转动刚度，kit为根据理论公式式计算得到的初始转动刚度。

取修正系数β计算式形式如下：

其中，x1～x9为待定系数。e为数学中的自然常数。ng＝10.9或8.8，代表螺栓强度等级。

根据有限元结果采用最小二乘法进行拟合得到β的计算公式如下：

计算结果见表2所示。结合表1和表2对比可知，式kim＝βkit结果和试验值以及有限元值吻合很好。为研究修正理论公式值相对于有限元值的误差，本文做了误差带分析，如图24所示。图24中有一条斜率为1:1的斜线，每一个落在该线上的点都表示公式计算误差为0％。分析可知，式kim＝βkit的误差带在±10％以内，且大部分点落在很接近1:1斜率线的位置，误差绝对值的平均值为2.9％，最大误差的绝对值为8.26％。

表2中列出了有限元计算得到的所有节点弯矩-转角曲线的初始转动刚度和极限弯矩，以及通过校准得到的各节点的刚度系数n。由表2可知，n的变化范围为1.97～2.1，平均值为2.06；塑性转角分布范围为0.0111～0.0223。弯矩-转角曲线建议计算公式：

由以上有限元分析结果采用最小二乘法拟合极限弯矩、刚度系数、相对塑性转角和初始刚度的取值公式。拟合公式统一采用如下形式：

y为各拟合目标，系数x1、x2…x8为待定系数。各目标的拟合公式如下：

各拟合公式的误差带分析如图25所示。图25中各图均有一条斜率为1:1的斜线，每一个落在该线上的点都表示公式计算误差为0％。图25(a)、(b)和(c)表明极限弯矩公式、刚度系数公式和相对塑性转角公式的误差带均在±5％以内，且绝大部分点落在很接近1:1斜率线的位置。图25(d)表明初始转动刚度公式的误差带在±10％以内，且大部分点落在很接近1:1斜率线的位置。因此公式计算结果和有限元结果符合较好。

按目标的拟合公式即可确定kishi-chen模型中的三个参数，从而得到节点的关系曲线。试验各节点对应的试验曲线、理论计算曲线、kishi-chen曲线、有限元曲线的对比见图26所示。相同转角下，所有节点的有限元弯矩值较kishi-chen三参数模型所确定的弯矩值误差均在4％以内，且kishi-chen模型在上述几种曲线中最保守。因此，按式目标的拟合公式计算节点的弯矩-转角曲线是准确的。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。