一种焊接箱型截面钢节点多尺度有限元建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及土木工程结构健康监测领域，具体涉及一种焊接箱型截面钢节点多尺 度有限元建模方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，大型土木工程结构建筑日新月异，大型网架结构的应用也日趋广泛。用于 网架结构的节点类型通常有焊接或螺接钢板节点，焊接空心球节点，螺栓球节点，相贯节点 和铸钢节点等。
[0003] 有限元模型分为单尺度有限元模型和多尺度有限元模型两大类。传统的有限元模 型通常建立在宏观单一整体大尺度上，在荷载作用下，结构的局部细节由于有限元模型尺 度较粗糙，不能有很好的感应和受荷表现，所以传统的有限元模型已不能满足所需采集的 结构健康监测信息的需求。而多尺度有限元模型是结合单一大尺度和精细小尺度进行有限 元建模，得到的整体模型不仅能和传统单尺度有限元模型一样获得结构整体信息，还能获 得结构关键部位局部细节信息，使有限元模型更加精确，与结构真实行为更加逼近的同时， 建模复杂程度，计算量，计算时间与整体结构单一尺度下的精细化模型相比更加简单，计算 量更少，不费时。
[0004] 当前结构健康监测技术的应用日趋广泛，但其仍存在以下两大缺陷：（1)用于健 康监测系统的传感器安装数量有限，不能监测结构所有局部关键部位；（2)由于大型土木 建筑结构的复杂性和空间变异性，传感器的安装位置未必是结构理想的局部关键部位。因 此，仅仅基于健康监测系统采集到的信息对结构在建和运营期间进行监测是不够的。对结 构建立有限元模型来辅助结构健康监测，模拟结构真实行为是有必要的。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种焊接箱型截面钢节 点多尺度有限元建模方法。
[0006] 为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种焊接箱型截面钢节点多尺度有 限元建模方法，该方法包括以下步骤：
[0007]S1、在ANSYS有限元软件中选取用于多尺度建模的单元类型组合；
[0008]S2、对焊接箱型截面钢节点进行初步几何建模；
[0009]S3、通过调整每根杆件方向点来确保杆件在空间结构中的方向正确；
[0010]S4、删除杆件相交处相互贯穿于杆件内部的多余部分，以符合各杆件间焊接截面 的特性；
[0011]S5、对节点完整几何模型中各杆件1/3长度赋予实体单元属性，2/3长度赋予梁单 元属性，并对不同单元类型进行粗糙网格，精细网格划分，得到节点多尺度有限元模型；
[0012]S6、对节点梁单元与实体单元相交处建立刚域连接，使梁单元与实体单元间变形 一致，协同作用，得到完整的焊接箱型截面钢节点的多尺度有限元模型。
[0013] 进一步地，所述步骤S2中几何建模时，对于各杆件间存在交角使得各杆件相交处 存在缝隙、相交面不能完全闭合的问题，采用填补体的方法使各杆件相交处完全闭合。
[0014] 进一步地，所述填补体的方法具体为：在沿线延伸建成体时，不要以各杆件的交点 为终点，而是在距离该交点处前端预留出一段，使各杆件间不直接在交点处相交，即在生成 体后预留出一段空白；取未相交的两杆件相对的两个矩形面的各四个端点，用生成体命令 直接将两端相对的杆件的空白处填补，使杆件交点处很好的连接且无缝隙。
[0015] 进一步地，所述步骤S3中，通过杆件两端的坐标值和杆件截面转角的第三个点的 坐标值来确保杆件的方向正确；或者，
[0016] 通过杆件两端的坐标值和杆件与其它杆件的转角值来确保杆件的方向正确。
[0017] 进一步地，所述的焊接箱型之杆件几何体为十六面体。
[0018] 进一步地，所述步骤S5中，首先将原为一个十六面体的箱型杆件分成八个六面体 建模，并对改进后的几何模型进行六面体网格划分。
[0019] 进一步地，对于杆件上产生与各杆件相交处公共的新面采用四面体网格划分。
[0020] 进一步地，实体单元采用的自底向上的建模顺序，梁单元采用的是自顶向下的建 模顺序；梁单元与实体单元的对接处，各单元间杆件转角方向一致，且实体单元的网格划分 比梁单元网格划分精细。
[0021] 进一步地，所述的步骤S6中梁单元与实体单元之间需要建立连接，使两者共同作 用，位移协调；具体采用约束方程法和MPC法来处理不同单元类型间的连接问题：所述约束 方程法用于规定单元的某个节点自由度与其他单元的某个或某些节点的自由度的关系，其
关系式为： .式中，i为节点标号；N为节点数；Ck为系数；uk为某一节点的 > 自由度；Q为常数项；
[0022] 所述MPC法即多点约束方程，通过内部生成多点的约束方程来实现不同单元间自
由度不同的节点的连接，其关系式为 式中，i辛k为主自由度；uk为从 9 自由度；Ci为权系数；C^为常数项，i，k分别为主节点、从节点某个自由度的下标号。
[0023] 本发明有益效果为：本发明结合多尺度有限元模型的独特优点，提出焊接箱型截 面钢节点的多尺度有限元建模方法，辅助结构健康监测系统，获取焊接箱型截面节点局部 细节信息，模拟结构真实行为，确保结构安全。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明焊接箱型截面钢节点多尺度有限元建模方法流程图；
[0025] 图2是本发明焊接箱型截面钢节点MIDAS模型；
[0026] 图3是本发明图2初步建完的节点几何模型之节点正面图；
[0027] 图4是本发明图2初步建完的节点几何模型之节点背面图；
[0028] 图5是本发明图2初步建完的节点几何模型之节点相交处缝隙图；
[0029] 图6是本发明杆件截面渐变详图；
[0030] 图7是本发明杆件方向错误示意图；
[0031]图8是本发明修改后的箱型焊接节点几何模型
[0032] 图9是本发明节点内部多余部分示意图；
[0033] 图10是本发明节点内部多余部分删除后示意图；
[0034] 图11是本发明箱型杆件十六面体示意图；
[0035] 图12是本发明箱型杆件六面体示意图；
[0036] 图13是本发明六面体网格划分前示意图；
[0037] 图14是本发明六面体网格划分后示意图；
[0038] 图15是本发明杆件新生成的公共面1，2面示意图；
[0039] 图16是本发明杆件新生成的公共面3,4面示意图；
[0040] 图17是本发明节点网格划分正面图；
[0041] 图18是本发明节点网格划分背面图；
[0042] 图19是本发明梁单元与实体单元的转角偏差示意图；
[0043] 图20是本发明多尺度有限元模型正面；
[0044] 图21是本发明多尺度有限元模型背面；
[0045] 图22是本发明梁单元与实体单元间的刚域结构示意图。
【具体实施方式】
[0046] 下面将结合附图对本发明作进一步说明：
[0047] 本发明中焊接箱型截面钢节点的节点类型不同于常用的各类球型节点，焊接箱型 截面杆件施工工艺要求较高，其节点类型新颖，节点受各被焊的箱型杆件综合作用，受力复 杂，结合上述多尺度有限元模型，建立焊接箱型截面钢节点多尺度有限元模型来获取节点 局部细节信息。由于焊接箱型截面钢节点形式新颖，且日渐被用于大型网架结构中，起着支 撑网架结构，连接结构中各杆件，传递并分配力矩的重要作用。故此，如图1所示，本发明 提供一种焊接箱型截面钢节点多尺度有限元建模方法，特别是基于梁单元与实体单元相结 合，粗糙网格划分与精细网格划分相结合的焊接箱型钢节点多尺度有限元建模。
[0048] 该方法包括以下步骤：
[0049] S1、在ANSYS有限元软件中选取用于多尺度建模的单元类型组合；
[0050] S2、对焊接箱型截面钢节点进行初步几何建模；
[0051] S3、通过调整每根杆件方向点来确保杆件在空间结构中的方向正确；
[0052] S4、删除杆件相交处相互贯穿于杆件内部的多余部分，以符合各杆件间焊接截面 的特性；
[0053] S5、对节点完整几何模型中各杆件1/3长度赋予实体单元属性，2/3长度赋予梁单 元属性，并对不同单元类型进行粗糙网格，精细网格划分，得到节点多尺度有限元模型；
[0054] S6、对节点梁