CN110688784A - 一种高强双角钢组合截面构件受力性能的有限元分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强双角钢组合截面构件受力性能的有限元分析方法，包括如下步骤：建立双角钢十字组合截面构件的几何模型；对几何模型进行有限元网格划分；对几何模型施加约束；选定端板区域进行荷载施加；采用弧长法逐步加载求解。本发明的分析方法计算出的承载力极限值于试验得到的承载力极限值的相对差值基本控制在10％以内，从构件破坏模式和极限承载力两个方面的对比来看，本发明建立的有限元模型可以用来对双角钢组合构件进行受力性能分析，为输电塔的设计提供了参考。

Description

一种高强双角钢组合截面构件受力性能的有限元分析方法

技术领域

本发明涉及角钢塔设计技术领域，特别是涉及一种高强双角钢组合截面构 件受力性能的有限元分析方法。

背景技术

目前我国主要采用角钢输电塔，随着大截面导线工程和大跨越工程建设， 输电塔荷载越来越大，双角钢组合截面承载力存在大负荷输电塔试验，但是由 于试验成本等因素的限制，试件数量比较少，这时试验结果的代表性不强，不 能够全面地反映构件的受力性能，有限的试验不能满足研究的需要，所以有必 要通过数值模拟的方式进行研究。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高强双角钢组合截面构 件受力性能的有限元分析方法，本发明的分析方法计算出的承载力极限值于试 验得到的承载力极限值的相对差值基本控制在10％以内，从构件破坏模式和极限 承载力两个方面的对比来看，本发明建立的有限元模型可以用来对双角钢组合 构件进行受力性能分析，为输电塔的设计提供了参考。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高强双角钢组合截面构件受力性能的有限元分析方法，包括如下步骤：

S1、建立双角钢十字组合截面构件的几何模型；

S2、对几何模型进行有限元网格划分；

S3、对几何模型施加约束；

S4、选定端板区域进行荷载施加；

S5、采用弧长法逐步加载求解。

优选的，所述步骤S1中，建立双角钢十字组合截面构件的几何模型时，采 用SHELL181壳体单元来模拟角钢,构件材料为Q420高强度角钢，屈服强度取为 420MPa，材料的弹性模量取为E＝2.06e5MPa，泊松比取为0.3，构件材料的应力 -应变关系采用理想弹塑性材料模型，即双折线模型。

优选的，所述步骤S1中还包括如下步骤：

建立几何模型时，将构件两端的塔座板加入模型，把构件两端端板的弹性 模量加大到E＝2.06e7MPa。

优选的，所述步骤S2中，进行网格划分时，端板的网格划分更密集，螺栓 孔划分8份后，把生成的节点进行自由度耦合。

优选的，所述步骤S3中，施加约束时，约束非加载端端板形心区域单元节 点的三个方向的平动位移，只约束加载端端板形心区域单元节点的两个方向的 平动位移，释放其沿构件轴线方向的线位移。

优选的，所述步骤S5中，有限元求解时，先对构件进行特征屈曲分析，获 得其一阶模态形式后将L/750的初始弯曲施加在上面，然后对构件进行非线性 分析获得构件的极限承载力，采用弧长法逐步加载求解。

有益效果在于：

1、本发明的分析方法计算出的承载力极限值于试验得到的承载力极限值的 相对差值基本控制在10％以内，从构件破坏模式和极限承载力两个方面的对比来 看，本发明建立的有限元模型可以用来对双角钢组合构件进行受力性能分析， 为输电塔的设计提供了参考；

2、壳体单元模拟这类中小厚度的构件比实体单元更有优势，从计算精度上 可以满足工程要求，壳体单元建模比较简便而且计算速度也比较快，能够适应 参数分析的需要，SHELL181壳体单元能够较好地适应于线性、大转动和非线性 大变形等问题；

3、将构件两端端板的弹性模量加大到E＝2.06e7MPa可避免加载时出现应力 集中，影响计算结果，进一步的提高了结果的准确性；

4、端板的网格划分更密集，因为在端板需要进行加载，进一步的提高了结 果的准确性；

5、约束非加载端端板形心区域单元节点的三个方向的平动位移，只约束加 载端端板形心区域单元节点的两个方向的平动位移，释放其沿构件轴线方向的 线位移便于后续的对端板进行加载计算；

6、对于构件来说不可避免地存在初始缺陷，为了更好地模拟构件的真实力 学、变形等性能，进行有限元分析时要把初始缺陷考虑进来。

构件的初始缺陷包括以下几个方面：构件的初始弯曲、残余应力、截面尺 寸以及几何形状的微小偏差，荷载作用的位置偏离要求的位置，另外还有安装 时的误差等。对于不同的构件，它们具有的初始几何缺陷是有着一定的差异。 对于构件初始缺陷的影响参考文献中的做法，把初始几何缺陷及残余应力等转 化为初始弯曲来考虑。采用一致缺陷模态法，取弹性屈曲分析第一阶模态作为 非线性分析时初始几何缺陷模式。《钢结构工程施工及验收规范》中的规定， 钢构件的初始弯曲值不得大于L/1000。经过实际的测量统计，初始弯曲值超过 L/1000的大约占40.3％，超过L/750的大约占12.5％。因此，受压构件的初始缺陷取为L/750较为合适；

7、加载时之所以使用弧长法，不只是因为分步加载的需要，还因为弧长法 有其自身的优势。在刚度矩阵为零或负值的情况下，弧长法可以阻止平衡迭代 的发散，达到收敛的效果；弧长法能够获得构件的极限承载力值；弧长法可以 根据求解的需要自动选择步长，提高求解的效率；弧长法的收敛速度也比较快。 弧长法用于数值分析，其稳定性和求解效率都比较高。

附图说明

图1是本发明实施例的双角钢十字组合截面构件的有限元模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例：

一种高强双角钢组合截面构件受力性能的有限元分析方法，包括如下步骤：

如图1所示，建立双角钢十字组合截面构件的几何模型，采用SHELL181壳 体单元来模拟角钢,构件材料为Q420高强度角钢，屈服强度取为420MPa，材料 的弹性模量取为E＝2.06e5MPa，泊松比取为0.3，构件材料的应力-应变关系采 用理想弹塑性材料模型，即双折线模型，为了使模拟更加接近实际情形，将构 件两端的塔座板加入模型，为了加载时避免应力集中的出现，把构件两端端板 的弹性模量加大到E＝2.06e7MPa，壳体单元模拟这类中小厚度的构件比实体单元 更有优势，从计算精度上可以满足工程要求，壳体单元建模比较简便而且计算 速度也比较快，能够适应参数分析的需要，SHELL181壳体单元能够较好地适应 于线性、大转动和非线性大变形等问题，将构件两端端板的弹性模量加大到 E＝2.06e7MPa可避免加载时出现应力集中，影响计算结果，进一步的提高了结果 的准确性；

对几何模型进行有限元网格划分，进行网格划分时，端板的网格划分更密 集，螺栓孔划分8份后，把生成的节点进行自由度耦合；

对几何模型施加约束，约束非加载端端板形心区域单元节点的三个方向的 平动位移，只约束加载端端板形心区域单元节点的两个方向的平动位移，释放 其沿构件轴线方向的线位移；

选定端板区域进行荷载施加，有限元分析时忽略角钢自重的影响。有限元 求解时，先对构件进行特征屈曲分析，获得其一阶模态形式后将L/750的初弯 曲施加在上面，然后对构件进行非线性分析获得构件的极限承载力。试验时荷 载是分步施加的，所以有限元分析时也模拟试验状态，采用弧长法逐步加载求 解。由于施加了初始弯曲，加载求解的过程中双组合角钢的弯曲变形会逐渐变 大，当达到构件的极限承载力后，荷载将会迅速下降，加载时之所以使用弧长 法，不只是因为分步加载的需要，还因为弧长法有其自身的优势。在刚度矩阵 为零或负值的情况下，弧长法可以阻止平衡迭代的发散，达到收敛的效果；弧 长法能够获得构件的极限承载力值；弧长法可以根据求解的需要自动选择步长， 提高求解的效率；弧长法的收敛速度也比较快。弧长法用于数值分析，其稳定 性和求解效率都比较高。

为验证有限元模型的正确、可用性，进而用来进行参数化分析，下面将双 角钢十字组合截面构件的试验结果和有限元计算结果进行对比验证。

表1为轴心受压构件的试验极限承载力与有限元软件计算的极限承载力对 比情况；表2为偏心受压构件试验极限承载力与有限元软件计算的极限承载力 对比情况。

表1 S-1S-1～S-5系列构件的极限承载力对比

表2 S-1-a～S-3-b系列构件的极限承载力对比

构件编号	λ	受力差值	P<sub>EXP</sub>(kN)	P<sub>FEA</sub>(kN)	(P<sub>EXP</sub>-P<sub>FEA</sub>)/P<sub>EXP</sub>
						S-1-a	30	30％	2650.00	2585.20	2.44％
S-1-b	30	40％	2400.00	2453.84	-2.24％
						S-2-a	40	30％	2220.00	2366.64	-6.61％
S-2-b	40	40％	2070.00	2283..92	-10.33％
						S-3-a	50	30％	2140.00	2141.12	-0.50％
S-3-b	50	40％	1960.00	2098.00	-7.04％

其中，表中PEXP代表试验值，PFEA代表有限元值。通过对比发现有限元计 算的承载力是随着长细比的增加而减小的，这与试验承载力的变化趋势相符合， 并且与理论、规范的变化规律是相同的。有限元计算的轴心受压构件的承载力 比偏心受压构件的承载力要高，这也与试验结果相吻合。试验得到的承载力极 限值与有限元计算的承载力极限值的相对差值基本控制在10％以内，有个别的构 件对比差值较大。引起试验结果与有限元计算结果有一定差异的原因有：

用于制作构件的钢材之间的差异使得各试验构件力学性能不一致。这些差 异包括钢材强度差异、初始缺陷的不同，钢材加工的不同、用于连接两个角钢 的螺栓的位置和紧固程度的差异等。

实验过程中也存在一定的差异。如试验的设备和仪器等可能存在一定差异； 试验时试件的加载位置之间的差异，而且与理论加载位置也有不同。

有限元建模时采用的单元形式、网格划分情况、初始缺陷的选取、本构关 系、加载方式还有一些简化处理等无法真正模拟构件实际的状态。

由于受到上述各种因素的影响限制，致使有限元分析结果无法完全与试验 相符合。尽管有限元模拟与试验有些差异，但是从构件破坏模式和极限承载力 两个方面的对比来看，之前建立的有限元模型可以用来对双角钢组合构件进行 受力性能分析。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人 员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只 是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各 种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种高强双角钢组合截面构件受力性能的有限元分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、建立双角钢十字组合截面构件的几何模型；

S2、对几何模型进行有限元网格划分；

S3、对几何模型施加约束；

S4、选定端板区域进行荷载施加；

S5、采用弧长法逐步加载求解。

2.根据权利要求1所述的高强双角钢组合截面构件受力性能的有限元分析方法，其特征在于，所述步骤S1中，建立双角钢十字组合截面构件的几何模型时，采用SHELL181壳体单元来模拟角钢,构件材料为Q420高强度角钢，屈服强度取为420MPa，材料的弹性模量取为E＝2.06e5MPa，泊松比取为0.3，构件材料的应力-应变关系采用理想弹塑性材料模型，即双折线模型。

3.根据权利要求2所述的高强双角钢组合截面构件受力性能的有限元分析方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括如下步骤：

建立几何模型时，将构件两端的塔座板加入模型，把构件两端端板的弹性模量加大到E＝2.06e7MPa。

4.根据权利要求1所述的高强双角钢组合截面构件受力性能的有限元分析方法，其特征在于，所述步骤S2中，进行网格划分时，端板的网格划分更密集，螺栓孔划分8份后，把生成的节点进行自由度耦合。

5.根据权利要求1所述的高强双角钢组合截面构件受力性能的有限元分析方法，其特征在于，所述步骤S3中，施加约束时，约束非加载端端板形心区域单元节点的三个方向的平动位移，只约束加载端端板形心区域单元节点的两个方向的平动位移，释放其沿构件轴线方向的线位移。

6.根据权利要求1所述的高强双角钢组合截面构件受力性能的有限元分析方法，其特征在于，所述步骤S5中，有限元求解时，先对构件进行特征屈曲分析，获得其一阶模态形式后将L/750的初始弯曲施加在上面，然后对构件进行非线性分析获得构件的极限承载力，采用弧长法逐步加载求解。

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