键部位的受荷信息，故只取杆件1/3长度 建立实体单元，杆件剩余2/3长度建立梁单元。其中，梁单元的建立相对实体单元比较简 单，直接赋予几何线段梁单元属性，采用ANSYS默认的六面体网格划分设置，生成梁单元。 从图20和图21中可以看出，实体单元的网格划分不同于梁单元网格划分，比梁单元网格划 分精细。
[0080] 下面对步骤S6作进一步说明：
[0081] 在梁单元与实体单元没有建立连接的情况下，二者在结构受荷时会产生相互贯 穿，不能共同作用的情况。因此，梁单元与实体单元之间还需要建立连接，使两者共同作用， 变形协调，应变连续。
[0082] 使用约束方程法和MPC法两种方法来处理不同单元类型间的连接问题。
[0083] 所述的约束方程法具体如下：
[0084] 不同尺度的单元的单元自由度不同。ANSYS中对于不同自由度的单元连接问题，常 采用约束方程法。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。
[0085] 约束方程法的一般关系式为
[0086] 其中，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。
[0087] 所述的MPC法具体如下：
[0088] MPC法即多点约束方程（MultipointConstraint)。对于梁单元与实体单元的组 合，当两单元间的接触定义为无间隙或绑定时，可采用此方法，它不需要相交处节点的位置 一一对应，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。
[0089]MPC的一般关系式为
式中，i辛k;Ui为主自由度；uk为从自由度； q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。
[0090] 在两种约束方法效果相近的情况下，在需要建立刚域的实体单元面上节点数不多 的情况下，采用约束方程法中的刚域法更为简便。故本发明采用约束方程法，以梁单元端点 为主节点，实体单元面上所有节点为从节点来建立刚域，将不同单元进行有效连接。ANSYS 通过自动建立约束方程，将连接主节点和从节点的自由度通过约束方程生成刚性线，而具 有公共节点的刚性线连接为刚性面或刚性体，以此创建一个刚性区域，操作简单。且考虑到 所建立的刚域涉及到局部单元，该局部单元的应力也不宜采用，特别是网格密度不同时，其 数值相差较大。故实体单元建模长度取杆件长度的1/3,确保不同单元间的连接处远离局部 关键部位信息有效提取。建成的刚性区域如图14所示。
[0091] 在对梁单元与实体单元间建立刚域时，需要注意实体单元每个节点只有UX,UY,UZ三个位移自由度，而梁单元每个节点有UX，UY，UZ，ROTX，ROTY，ROTZ三个转角自由度和三个 位移自由度，共六个自由度。建立约束时只需要约束不同尺度单元间一一对应节点的UXYZ 三个位移自由度即可实现梁单元与实体单元间不仅能传递力，还能传递力矩，二者协同工 作的目的。如果在连接处约束六个自由度，即在使用ANSYS中CERIG命令时选择ALL，则会 因为实体单元不具有旋转自由度使ANSYS发出警告，当警告数量超出限额，ANSYS会自动关 闭，不能进行下一步计算。
[0092] 综上，得到焊接箱型截面钢节点的完整多尺度有限元模型如图22所示。
[0093] 本发明从辅助结构健康监测角度出发，针对这一类节点形式，提出焊接箱型截面 钢节点的多尺度有限元建模方法。上述实施例中采用ANSYS有限元软件，建立以实体单元 和梁单元相结合，精细网格划分与粗糙网格划分相结合的多尺度有限元模型。首先，对箱型 焊接节点不同部位进行实体单元与梁单元建模，并进行不同尺度的网格划分。其次，对不同 尺度的有限元模型建立连接，使梁单元与实体单元能够共同作用，且与整体结构协同工作。 从多尺度有限元模型的建立，到最后不同尺度的有限元模型建立连接，完成整个多尺度有 限元模型的建立，实现更好的辅助监测结构真实行为的目的。
【主权项】
1. 一种焊接箱型截面钢节点多尺度有限元建模方法，其特征在于：该方法包括以下步 骤： 51、 在ANSYS有限元软件中选取用于多尺度建模的单元类型组合； 52、 对焊接箱型截面钢节点进行初步几何建模； 53、 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； 54、 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； 55、 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； 56、 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。2. 根据权利要求1所述的一种焊接箱型截面钢节点多尺度有限元建模方法，其特征在 于：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。3. 根据权利要求2所述的一种焊接箱型截面钢节点多尺度有限元建模方法，其特征在 于：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。4. 根据权利要求1所述的一种焊接箱型截面钢节点多尺度有限元建模方法，其特征在 于：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， 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。5. 根据权利要求1所述的一种焊接箱型截面钢节点多尺度有限元建模方法，其特征在 于：所述的焊接箱型之杆件几何体为十六面体。6. 根据权利要求5所述的一种焊接箱型截面钢节点多尺度有限元建模方法，其特征在 于：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。7. 根据权利要求6所述的一种焊接箱型截面钢节点多尺度有限元建模方法，其特征在 于：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。8. 根据权利要求5至7任一项所述的一种焊接箱型截面钢节点多尺度有限元建模方 法，其特征在于：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。9. 根据权利要求1所述的一种焊接箱型截面钢节点多尺度有限元建模方法，其特征在 于：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；u k为某一节点的自由度；C ^为常数项； 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 ;Ui为主自由度；u k为从自由度；C i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。
【专利摘要】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，包括：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；S2、对焊接箱型截面钢节点进行初步几何建模；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；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；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，并进行粗糙网格，精细网格划分，得到节点多尺度有限元模型；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。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN104899381
【申请号】CN201510323777
【发明人】卢伟, 滕军, 陈露
【申请人】卢伟
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月12日