CN107832537B - 一种复杂形式残余应力的数值模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复杂形式残余应力的数值模拟方法，包括以下步骤：步骤A：建立钢构件有限元模型，对构件进行单元划分；步骤B：提取每个单元的单元编号，和单元所属的节点编号、坐标；步骤C：对步骤B获得的节点坐标进行处理，计算每个单元在钢构件残余应力数学模型中对应的残余应力，并按残余应力值对每个单元进行分组；步骤D：将步骤C得到的残余应力引入到钢构件有限元模型中，得到含有残余应力的有限元模型。本发明能够有效地解决现阶段将钢构件的复杂形式残余应力引入有限元模型的困难，使得模型更加接近真实的受力状态，从而能够建立精细化的分析模型分析钢构件的极限承载力、疲劳性能以及稳定性能。

Description

一种复杂形式残余应力的数值模拟方法
技术领域
本发明涉及土木工程数值模拟方法，特别涉及一种复杂形式残余应力的数值模拟方法。
背景技术
在钢结构研究领域，对钢结构构件的数值模拟和有限元分析是一个十分重要的研究手段，因此如何准确地模拟出钢构件的真实受力状态是一个至关重要的问题。其中，残余应力对于构件极限承载力，疲劳性能和稳定性能有很大的影响。目前在有限元软件中输入残余应力的主要方法是界面选取(GUI)操作或者直接按单元输入，由于操作方法比较复杂，在数值分析模型中所引入的残余应力形式比较简单。随着研究学者们针对钢构件残余应力研究的深入，总结得到的残余应力的数学模型越来越复杂，使用界面选取(GUI)操作或者直接按单元输入法引入残余应力也愈发困难，因此需要得到一种高效并且有效的方式将各种构件的残余应力引入到有限元分析和数值模拟的相关模型中。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前钢构件数值模拟过程中关于残余应力引入方面的不便而提供一种复杂形式残余应力的数值模拟方法，利用本方法能够有效地解决现阶段将钢构件的复杂形式残余应力引入三维实体单元有限元模型的困难，使得模型更加接近真实的受力状态，从而能够建立精细化的分析模型分析钢构件的极限承载力、疲劳性能以及稳定性能。
本发明所采用的技术方案是：一种复杂形式残余应力的数值模拟方法，包括以下步骤：
步骤A：建立钢构件有限元模型，对构件进行单元划分；
步骤B：提取每个单元的单元编号，和单元所属的节点编号、坐标；
步骤C：对步骤B获得的节点坐标进行处理，计算每个单元在钢构件残余应力数学模型中对应的残余应力，并按残余应力值对每个单元进行分组；
步骤D：将步骤C得到的残余应力引入到钢构件有限元模型中，得到含有残余应力的有限元模型。
其中，步骤A中，采用ABAQUS软件建立钢构件有限元模型，构件单元划分情况包括：直板处沿形成构件的板件宽度方向划分有若干单元，沿壁厚方向划分有若干层，沿构件长度方向也划分为若干层。
其中，步骤B具体过程为：利用循环依次首先读取ABAQUS建立的钢构件有限元模型的INP文件中节点信息文本，得到包含各个节点编号及各个节点对应坐标的节点信息矩阵，然后读取INP文件中的单元建立文本，得到包含各个单元编号及各个单元对应的组成节点编号的单元信息矩阵。
其中，步骤C具体过程为：
步骤C1：在MATLAB软件中通过循环由单元信息矩阵读取每个单元的节点编号，再由节点信息矩阵读取这些节点的坐标，最后代入钢构件残余应力数学模型进行处理，计算每个单元的从属节点在钢构件残余应力数学模型中对应的残余应力，获得每个单元每个节点的残余应力；
步骤C2：对同属于一个单元的每个节点的残余应力取平均值，得到该单元在钢构件残余应力数学模型中所对应的若干种平均残余应力；
步骤C3：将钢构件残余应力数学模型中得到的若干种平均残余应力进行叠加，得到每个单元在钢构件残余应力数学模型中对应的残余应力，形成包含单元编号和对应残余应力数值大小的残余应力信息矩阵；
步骤C4：通过排序由小到大将残余应力大小相同的单元进行分组，得到组号-残余应力矩阵和组号-单元号矩阵，并使用ABAQUS的Elset命令按命令规定的格式利用组号-单元号矩阵输出组号、单元号文本。
其中，步骤D具体过程为：按照INP文件指定的格式利用组号-残余应力矩阵单元输出分组后的组号和对应的残余应力值，利用ABAQUS软件提供的Initial condition命令将输出的组号和对应的残余应力数值作为钢构件有限元模型的初始状态编写进原INP文件中，实现模型的更新和残余应力的引入，得到含有残余应力的有限元模型。
本发明的有益效果是：本发明通过MATLAB进行数据处理，得到了指定位置单元对应的残余应力取值，通过将残余应力按指定格式输出并导入到ABAQUS三维实体单元模型中，实现了模型的更新，整个过程首先在MATLAB中对单元进行了分组处理与运算，之后利用MATLAB软件进行批量处理，实现了快速得到具有复杂形式残余应力钢构件精细化分析模型的目的，相比于直接在ABAQUS文件中直接进行属性赋予运算效率更高。
附图说明
图1：参考Key和Hancock研究得到的冷弯方钢管残余应力数学模型：
图1a：残余应力沿壁厚方向的均布应力；
图1b：残余应力沿壁厚方向的弯曲应力；
图1c：残余应力沿壁厚方向的分层应力；
图1d：纵向残余应力沿宽度方向的分布；
图2：参考Key和Hancock研究得到的冷弯方钢管某一截面上残余应力分布情况示意图；
图3：利用本发明方法得到的有限元模型残余应力分布。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述。
一种复杂形式残余应力的数值模拟方法，包括利用ABAQUS软件进行有限元模型建立和利用MATLAB软件进行数据处理，具体包括以下步骤：
步骤A：采用ABAQUS软件建立钢构件三维实体单元有限元模型，并对构件进行单元划分：直板处沿形成构件的板件宽度方向划分有若干单元，沿壁厚方向划分有若干层，沿构件长度方向也划分为若干层。
步骤B：提取每个单元的单元编号，和单元所属的节点编号、坐标。具体过程为：利用循环依次首先读取ABAQUS建立的钢构件有限元模型的INP文件中节点信息文本，得到包含各个节点编号及各个节点对应坐标的节点信息矩阵，然后读取INP文件中的单元建立文本，得到包含各个单元编号及各个单元对应的组成节点编号的单元信息矩阵。
步骤C：对步骤B获得的节点坐标进行处理，计算每个单元在钢构件残余应力数学模型中对应的残余应力，并按残余应力值对每个单元进行分组。具体过程为：
步骤C1：在MATLAB软件中通过循环由单元信息矩阵读取每个单元的节点编号，再由节点信息矩阵读取这些节点的坐标，最后代入钢构件残余应力数学模型进行处理，计算每个单元的从属节点在钢构件残余应力数学模型中对应的残余应力，获得每个单元每个节点的残余应力；
步骤C2：对同属于一个单元的每个节点的残余应力取平均值，得到该单元在钢构件残余应力数学模型中所对应的若干种平均残余应力；其中，平均残余应力的种数根据需进行数值模拟的钢构件的截面形式及与需进行数值模拟的钢构件相对应的钢构件残余应力数学模型而定；
步骤C3：将钢构件残余应力数学模型中得到的若干种平均残余应力进行叠加，得到每个单元在钢构件残余应力数学模型中对应的残余应力，形成包含单元编号和对应残余应力数值大小的残余应力信息矩阵；
步骤C4：通过排序由小到大将残余应力大小相同的单元进行分组，得到组号-残余应力矩阵和组号-单元号矩阵，并使用ABAQUS的Elset命令按命令规定的格式利用组号-单元号矩阵输出组号、单元号文本。
步骤D：将步骤C得到的残余应力引入到钢构件有限元模型中，得到含有残余应力的有限元模型。具体过程为：按照INP文件指定的格式利用组号-残余应力矩阵单元输出分组后的组号和对应的残余应力值，利用ABAQUS软件提供的Initial condition命令将输出的组号和对应的残余应力数值作为钢构件有限元模型的初始状态编写进原INP文件中，实现模型的更新和残余应力的引入，得到含有残余应力的有限元模型。
实施例一
本实施例对方钢管进行数值模拟，参考Key和Hancock撰写的文章(Key P W,Hancock G J.A theoretical investigation of the column behaviour of cold-formed square hollow sections[J].Thin-Walled Structures,1993,16(1-4):31-64.)中关于冷弯方钢管纵向残余应力的结论得到了冷弯方钢管残余应力数学模型(如图1所示)其中，残余应力沿壁厚方向的分布可以分为三种进行叠加，包括均布应力(图1a)、弯曲应力(图1b)和分层应力(图1c)，而残余应力沿板件宽度方向的分布如图1d。
根据本发明复杂形式残余应力的数值模拟方法，首先，采用ABAQUS软件建立冷弯矩形截面钢管有限元模型，对冷弯矩形截面钢管进行单元划分：直板处沿形成方钢管的板件宽度方向划分有20个单元，转角处划分有3个单元，沿壁厚方向划分有3层，沿方钢管长度方向划分为150层。利用循环依次首先读取ABAQUS建立的冷弯矩形截面钢管有限元模型的INP文件中节点信息文本，得到包含各个节点编号及各个节点对应坐标的节点信息矩阵，然后读取INP文件中的单元建立文本，得到包含各个单元编号及各个单元对应的组成节点编号的单元信息矩阵。然后，在MATLAB软件中通过循环由单元信息矩阵读取每个单元的节点编号，再由节点信息矩阵读取这些节点的坐标，最后代入冷弯方钢管残余应力数学模型进行处理，计算每个单元的从属节点在冷弯方钢管残余应力数学模型中对应的残余应力，获得每个单元每个节点的残余应力；对同属于一个单元的每个节点的残余应力取平均值，得到该单元在冷弯方钢管残余应力数学模型中所对应的均布应力，弯曲应力和分层应力；将冷弯方钢管残余应力数学模型中得到的均布应力，弯曲应力和分层应力进行叠加，得到每个单元在冷弯方钢管残余应力数学模型中对应的残余应力，形成包含单元编号和对应残余应力数值大小的残余应力信息矩阵；通过排序由小到大将残余应力大小相同的单元进行分组，得到组号-残余应力矩阵和组号-单元号矩阵，并使用ABAQUS的Elset命令按命令规定的格式利用组号-单元号矩阵输出组号、单元号文本。最后，按照INP文件指定的格式利用组号-残余应力矩阵单元输出分组后的组号和对应的残余应力值，利用ABAQUS软件提供的Initial condition命令将输出的组号和对应的残余应力数值作为冷弯矩形截面钢管有限元模型的初始状态编写进原INP文件中，实现模型的更新和残余应力的引入。
图2为根据冷弯方钢管残余应力数学模型计算得到的各个单元残余应力的大小，其中长方体的高度代表残余应力的大小，在水平坐标平面以上为正表示拉应力，水平坐标面以下为负表示压应力。图3为根据本发明提供的方法引入到有限元模型中的残余应力(俯视视角)，其中外边缘深灰色部分表示应力最小值，为负，压应力；内壁深灰色部分表示应力最大值，为正，拉应力。通过对比图2和图3可以看出本发明提供的方法能够很好地对钢构件复杂形式残余应力进行精细化模拟。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种复杂形式残余应力的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：采用ABAQUS软件建立钢构件三维实体单元有限元模型，对构件进行单元划分；
步骤B：提取每个单元的单元编号，和单元所属的节点编号、坐标，包括：利用循环依次首先读取ABAQUS建立的钢构件有限元模型的INP文件中节点信息文本，得到包含各个节点编号及各个节点对应坐标的节点信息矩阵，然后读取INP文件中的单元建立文本，得到包含各个单元编号及各个单元对应的组成节点编号的单元信息矩阵；
步骤C：对步骤B获得的节点坐标进行处理，计算每个单元在钢构件残余应力数学模型中对应的残余应力，并按残余应力值对每个单元进行分组，包括：
步骤C1：在MATLAB软件中通过循环由单元信息矩阵读取每个单元的节点编号，再由节点信息矩阵读取这些节点的坐标，最后代入钢构件残余应力数学模型进行处理，计算每个单元的从属节点在钢构件残余应力数学模型中对应的残余应力，获得每个单元每个节点的残余应力；
步骤C2：对同属于一个单元的每个节点的残余应力取平均值，得到该单元在钢构件残余应力数学模型中所对应的若干种平均残余应力；
步骤C3：将钢构件残余应力数学模型中得到的若干种平均残余应力进行叠加，得到每个单元在钢构件残余应力数学模型中对应的残余应力，形成包含单元编号和对应残余应力数值大小的残余应力信息矩阵；
步骤C4：通过排序由小到大将残余应力大小相同的单元进行分组，得到组号-残余应力矩阵和组号-单元号矩阵，并使用ABAQUS的Elset命令按命令规定的格式利用组号-单元号矩阵输出组号、单元号文本；
步骤D：将步骤C得到的残余应力引入到钢构件有限元模型中，得到含有残余应力的有限元模型。
2.根据权利要求1所述的一种复杂形式残余应力的数值模拟方法，其特征在于，步骤A中，构件单元划分情况包括：直板处沿形成构件的板件宽度方向划分有若干单元，沿壁厚方向划分有若干层，沿构件长度方向也划分为若干层。
3.根据权利要求1所述的一种复杂形式残余应力的数值模拟方法，其特征在于，步骤D具体过程为：按照INP文件指定的格式利用组号-残余应力矩阵单元输出分组后的组号和对应的残余应力值，利用ABAQUS软件提供的Initial condition命令将输出的组号和对应的残余应力数值作为钢构件有限元模型的初始状态编写进原INP文件中，实现模型的更新和残余应力的引入，得到含有残余应力的有限元模型。
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