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。
[0055] 焊接箱型节点由箱型截面杆件焊接而成，通常有一根主杆件作为被焊杆件，其余 杆件均焊接在主杆件上。焊接箱型节点一般用于大型网架结构中，作为连接网架中各杆件 的关键枢纽，起到传递并分配力和力矩的作用。焊接箱型节点多尺度有限元建模过程与螺 栓球节点或焊接球节点不同，建模过程比较繁杂，需要着重解决的问题较多。首先，箱型截 面杆件间相交处的节点存在交角，如何处理杆件间的交角使相对的杆件间不存在缝隙；其 次，箱型杆件不同于圆形钢管，方形钢管存在方向性，如何正确把握箱型杆件间的方向是另 一重点问题；再者，焊接箱型节点不同于相贯节点，如何确保有效删除建模过程中杆件内部 相互贯穿的多余部分，且保证被焊杆件的截面完整性，需要着重考虑；最后，对多尺度模型 网格划分，对于被焊杆件上产生的公共面，如何考虑网格划分至关重要。
[0056] 下面采用钢混结构中一焊接箱型截面钢节点为例，详细展开讲述该类节点的多尺 度有限元建模方法，并【附图说明】。该节点的实际情况如图2所示，图2为节点的MIDAS单尺 度模型。该节点存在渐变面，即竖向杆件由三根杆件构成，包括端部两根杆件和中部杆件相 汇处的截面渐变的一根杆件。该节点共由九根杆件焊接而成，存在渐变面，局部受力复杂。 由于建立多尺度有限元模型为的是考虑结构关键部位局部细节信息，故取杆件长度1/3进 行实体单元建模。
[0057] 下面对步骤S1的实施作进一步的详述，
[0058] 本实施例子中采用ANSYS有限元软件进行多尺度建模，与ABQUS，MIDAS等有限元 软件相比，ANSYS在建立结构精细模型和分析结构局部细节信息时更精确。ANSYS中主要 有杆单元，管单元，梁单元，2D实体单元，3D实体单元，壳单元六种单元类型用于结构有限 元建模。其中，杆单元适用于模拟桁架，缆索，链杆，弹簧等构件。且杆单元只能承受杆轴向 的拉压，不承受弯矩，节点只有平动自由度，与小贝壳钢结构杆件间焊接可传递弯矩的受力 类型不符。梁单元，管单元是一种具有轴向拉压，弯曲，扭转的3D单元。其中管单元常用于 管结构中。2D实体单元是一类可用于平面应力，平面应变和轴对称分析的平面单元，每个 节点的自由度均为两个，即UX和UY，其仅用于模拟平面单元，此处显然不适用于三维结构 有限元建模。3D实体单元用于模拟三维实体结构，此类单元每个节点均具有三个平动自由 度。壳单元常用于模拟平板和曲壳一类结构，壳单元比梁单元和实体单元要复杂得多，其需 要设置的单元选项很多。焊接箱型截面钢节点不属于平板或曲壳类结构，且壳单元相比实 体单元而言，获得的结构信息没有实体单元详细，故不选用壳单元进行建模。
[0059] 综上所述，通过对不同种类单元的适用场合和使用条件的对比，采用梁单元 beaml88与3D实体单元solidl85相结合的单元类型组合对节点进行多尺度建模
[0060] 现对步骤S2作进一步的详述，步骤S2中对焊接箱型截面钢节点进行初步几何建 模，重点是箱型杆件间相交处的节点处理：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。
[0061] 本实施例中焊接箱型节点几何模型采用的是自底向上，即通过建立关键点，再由 关键点生成较高级的图素，如线、面、体。
[0062] 初步建完的节点几何模型如图3和4所示。此时各杆件间相互独立，没有任何粘 结作用。进行布尔GLUE运算，把各杆件间粘结在一起，使它们共同作用。由于杆件间通过 建立面，沿线拉伸而成体，在交点处存在较大缝隙，并不能很好的闭合，如图5所示。这是因 为各杆件间存在一定交角，并不是规则的垂直或平行相交，在进行布尔运算时，ANSYS系统 一直给出警告存在容差问题。解决此类矩形杆件的焊接处相交问题一般有两种方法：第一 种，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。第二种，将相交的两根杆件中的一根沿杆件方向延长，另一 根杆件建立时则相对缩短，使延长的杆件与缩短的根杆件不在原交点处相交，而是相交于 杆件延长处，最后用分割命令把多余部分分割后并删除，以使两根杆件很好的相交，符合工 程实际。
[0063] 对于示例节点而言，图2标示出该节点存在渐变截面，本实施例中采用第一种方 法，通过减小延伸长度，把两杆间的缝隙放大，在缝隙处直接生成一个体来填补空隙，且成 功考虑了渐变截面，如图6所示。
[0064] 下面对步骤S3作进一步说明：
[0065] 焊接箱型截面构件截面是矩形的，不同于圆形截面钢管。圆形钢管与其他杆件相 交时不具有方向性，即杆件相交时不存在截面转角度数问题。故圆形截面构件在建模时只 需要知道杆件两端点坐标即可，而方形截面杆件在建模时，除了要给出杆件两端关键点的 坐标值，还需要知道确定杆件截面转角的第三个点的坐标值或者杆件与其他杆件的转角 值。如图7文字标示，杆件由于没有找对方向点而使其与其他杆件的夹角与实际情况不符。 故在矩形截面杆件建模时，需要提前确定杆件的方向。
[0066] 对节点模型进行缝隙填补，及校正各杆件的方向点后，节点几何模型由之前的九 根杆件组成增加为十一根杆件组成，即杆件相汇处的截面渐变杆件由一根杆件分成一根直 杆和两根渐变截面杆件，修改后的模型如图8所示。
[0067] 下面对步骤S4作进一步说明：
[0068] 由于节点模型是由面沿杆件方向拉伸至同一节点而成，各杆件间延伸至被焊杆件 内部，产生多余部分，如图9所示，为删除图中内部多余部分，在进行分割运算时选用VSBA 命令，即面分割体命令会得到理想的焊接效果。分割并删除多余部分后如图10所示。
[0069] 下面对步骤S5作进一步说明：
[0070] 在完成节点小尺度实体单元的几何建模后，下一步工作是网格划分，即将几何模 型转化为有限元模型。网格划分有六面体网格划分和四面体网格划分，六面体网格划分与 四面体网格划分相比，划分后的单元具有更加规则和精细的优点。
[0071] 六面体网格划分的条件更为严格，在ANSYS中，要将几何体全部划分为六面体单 元，必须满足如下条件：
[0072] (1)几何体的外形必须为四面体、规则五面体（楔形体或棱柱）、块状六面体。
[0073] (2)几何体的两两对边间划分后的单元数必须相等，或其符合过度网格划分的条 件；
[0074] (3)如果该几何体为四面体或棱柱，则几何体中三角形面上网格划分后的单元数 必须为偶数。
[0075] 纵观以上三个条件，结合自身几何模型的建模过程，本实施例中建立的箱型杆件 几何体并非块状或棱柱等外形，而是一个16面体，如图11所示。这对于ANSYS的六面体网 格划分条件而言，并不满足。
[0076] 为了得到更加准确精细的网格，实现六面体网格划分，将原为一个十六面体的箱 型杆件分成八个六面体建模，得到由八个六面体组成的箱型杆件如图12所示。
[0077] 对焊接箱型节点几何模型进行布尔运算，将各杆件粘接处理后，图13标示a为进 行网格划分的杆件上产生与各杆件相交处公共的新面，如图15和16所示，杆件四个面均产 生共有的新面。这使得在对标示杆件网格划分时，需要考虑网格划分的尺寸，如何使新生成 的网格线与已进行划分的各杆件的共有面的边界线对齐，给网格划分增加了附加条件，带 来了一定困难。由于不满足六面体网格划分条件，最终只能对图示标记杆件采用四面体网 格划分。其余杆件可进行六面体网格划分，六面体网格划分后的效果如图14所示。整体节 点实体单元网格划分效果如图17和18所示。
[0078] 本节点采用的是实体单元与梁单元相结合的多尺度有限元模型，建完节点实体单 元部分后，下一步建立节点杆件剩余2/3长度的梁单元。在建立梁单元时需要注意的问题 是，由于杆件梁单元与实体单元建立的先后顺序不同，在梁单元与实体单元的对接处，应保 证各单元间杆件转角方向一致，即二者之间不应出现如图19所示的转角偏差。
[0079] 图20和图21为梁单元与实体单元相结合的节点多尺度有限元模型。建立焊接箱 型节点多尺度有限元模型为的是重点考虑节点关