铸钢节点有限元分析计算书.docx

1、铸钢节点有限元分析计算书铸钢节点有限元分析计算书铸钢节点有限元分析计算书1 分析软件对内蒙古赛马场铸钢节点进行有限元分析，采用大型通用有限元分析软件ABAQUS进行。 ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件之一，可以分析复杂的固体力学、结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。在非线性分析中，ABAQUS 能自动选择相应载荷增量和收敛限度。它不仅能够选择合适参数，而且能连续调节参数以保证在分析过程中有效的得到精确解。2 节点基本概况2.1 铸钢节点材料基本性能2.1.1 铸钢节点材料基本性能材质符合铸钢节点应用技术规范 中G20Mn5QT的相关规定，其化学成

2、分与力学性能应符合下表规定：材质化学成分%残余元素%G20Mn5CSiMnPSCrMoNi碳当量0.170.230.601.01.60.020.020.300.150.800.45经调质热处理后，铸钢件的力学性能应达到下表要求：铸钢钢种室温下冲击功值牌号材料号屈服强度Rpo.2(MPa)抗拉强度Rm(MPa)伸长率A（）温度()冲击功JG20Mn5QT1.622030050065022室温-4060272.1.2材料本构关系在ABAQUS中材料的塑性本构需输入真应力塑性应变数据，其转换公式如下所示：名义应变与真实应变的相关关系名义应力与真实应力的相关关系塑性应变：根据以上的转换公式得的真实应力

3、塑性应变曲线G20Mn5QT钢的弹性模量2.06105N/mm，泊松比为0.3，在ABAQUS中输入的G20Mn5QT真应力塑性应变曲线如下。G20Mn5QT钢真应力塑性应变曲线2.2 节点分布概况3 铸钢节点一有限元分析3.1 节点概况该节点位于两个方向倒三角桁架交汇的支座处，对整体安全性起重要的作用，并且为多杆连接节点，边界及受力均较为复杂，需对其进行有限元分析。节点三维轴测图表3-1 杆件规格表 单元号构件规格材质5347P650x30G20Mn5QT5370P900x30G20Mn5QT7312P325x14G20Mn5QT7313P325x14G20Mn5QT7314P325x14G

4、20Mn5QT7315P325x14G20Mn5QT16261P900x30G20Mn5QT内力选取施加在铸钢节点上的力通过midas软件从整体结构中提取，根据内力组合原则选取节点处的控制组合，具体提取的内力如下表所示： 表3-2 荷载工况下杆件的内力荷载工况单元轴向（kN）剪力-y（kN）剪力-z（kN）扭矩（kN*m）弯矩-y（kN*m）弯矩-z（kN*m）gLCB153473746.5201.3207.779.949.6241.5gLCB153705485.3-1140.3188.5-874.3-125.444.5gLCB17312766.937.1-0.65.21.644.8gLCB1

5、73131733.05.10.6-5.532.82.6gLCB173141107.3-14.83.914-1.3-25.8gLCB173151337.77.01.63.811.621.5gLCB1162614476.41182.31017.6-6.5-68.1-1729.43.2单元选取及网格划分由于所选节点形状较为复杂，采用自由网格划分技术对节点进行网格划分，单元选取Tet（四面体）线性单元C3D4。在保证求解精度的条件下，减小计算代价，采取以下措施：划分网格时，对节点相贯及较细管径等部位进行了网格细分，以保证求解精度；对于非相贯区及较粗管径采用较大尺寸网格，以保证运行速度。 图3-1 有限

6、元网格模型3.3 边界条件和荷载作用边界：在铸钢件与底板接触的截面施加完全固定约束。荷载：集中力和集中弯矩施加于钢管端面的中心点参考点，该中心参考点通过与钢管端面绑定刚体约束，将集中力和集中弯矩均匀地传递给管壁实体。图3-2 铸钢件边界及荷载施加图3.4 弹性分析结果应力云图CB49下的铸钢件应力云图变形云图CB49下的铸钢件变形云图从Von Mise应力云图可知，在一倍设计荷载下铸钢件最大应力为211.0MPa，具有一定的安全储备。从铸钢件的变形图可以看出节点位移很小，最大为0.9mm，说明该铸钢节点具有较大刚度。3.5 弹塑性极限承载力分析根据铸钢节点应用技术规范，通过弹塑性有限元分析可得

7、到节点的极限承载力，钢材本构按理想弹塑性，屈服强度为300MPa，弹性模量2.06105N/mm，泊松比为0.3；钢材弹塑性本构根据前述应力塑性应变曲线确定。破坏荷载施加方式为所有杆端力均逐步增加，直至节点破坏。极限荷载下铸钢件应力云图从所得构件荷载-位移全过程曲线可得到相应极限承载力。荷载作用全过程荷载位移曲线上图中横坐标“荷载倍数”x代表含义为：施加构件实际受力x倍大小的力，纵坐标y代表含义为：某结点在相应荷载下产生的位移量y。实际选取的结点为铸钢节点达到极限承载力时应力最大的点。从图中我们可以看出，当施加的荷载达到实际受力4倍以上时，节点位移发生突变，即铸钢节点极限承载力为设计荷载值的4

8、倍，其值大于3倍的设计承载力，满足规范要求。4 铸钢节点二有限元分析4.1 节点概况4.1.1 节点概况该节点位于结构主要部位，对整体安全性起重要的作用，并且为多杆连接节点，受力复杂，需对其进行有限元分析。9311节点三维轴测图表4-1 杆件规格表单元号构件规格材质3751P450X50G20Mn5QT3753P325X40G20Mn5QT3776P325X40G20Mn5QT8896P180X25G20Mn5QT8904P180X25G20Mn5QT8913P180X25G20Mn5QT9260P180X25G20Mn5QT9311P180X25G20Mn5QT9597P450X50G20M

9、n5QT10137P180X25G20Mn5QT4.1.2 内力选取 施加在铸钢节点上的力通过midas软件从整体结构中提取，根据内力组合原则选取节点处的控制组合，具体提取的内力如下表所示。 表4-2 荷载工况下杆件的内力荷载工况单元轴向(kN)剪力-y(kN)剪力-z(kN)扭矩(kN*m)弯矩-y(kN*m)弯矩-z(kN*m)CB323751-938.67-34-13.910.5310.68-51.92CB3237531470.0513.24-0.56.74-20.0124.85CB3237761072.375.43-67.82-1.56-89.462.18CB328896-277.75

10、1.53-0.42-0.54-2.052.83CB328904-538.593.213.720.96.927.34CB328913347.050.810.590.613.282.45CB329260236.330.7-1.57-1.45-1.331.54CB329311-405.31-0.32-2.48-0.88-3.14-0.25CB329597-14477.4844.86-30.5737.94-20.67CB3210137-661.22-1.11-1.611.29-1.87-2.184.2单元选取及网格划分由于所选节点形状较为复杂，采用自由网格划分技术对节点进行网格划分，单元选取Tet（四

11、面体）二次单元C3D4，以提高求解精度。由于有限元模型中采用了二次单元后，往往会增加程序计算时间，在保证求解精度的条件下，减小计算代价，采取以下措施：划分网格时，对节点相贯等重要部位进行了网格细分，以保证求解精度，对与不重要的部位采用较粗网格进行计算。图4-1 有限元网格模型4.3边界条件和荷载作用在节点分析时的边界约束可认为刚接。根据上述内力取值施加。图4-2 铸钢件边界约束条件4.4 弹性分析结果 4.4.1 应力云图 CB32下的节点整体应力云图4.4.2变形云图CB32下的节点变形云图从节点Von Mise应力云图可知，在一倍设计荷载下节点应力最大处为281.8MPa，具有一定的安全储

12、备。从节点的变形图可以看出节点位移很小，最大为1.86mm，说明该铸钢节点具有较大刚度。4.5弹塑性极限承载力分析根据铸钢节点应用技术规范，通过弹塑性有限元分析可得到节点的极限承载力，钢材本构按理想弹塑性，屈服强度为300MPa，弹性模量2.06105N/mm，泊松比为0.3；钢材弹塑性本构根据前述应力塑性应变曲线确定。破坏荷载施加方式为所有杆端力均逐步增加，直至节点破坏。 极限荷载下节点整体应力云图 荷载作用全过程荷载位移曲线上图给出了铸钢节点杆件在1到10倍设计荷载下节点极限承载力，从图中我们可以得出极限承载力为设计荷载值的4倍，其值大于3倍的设计承载力，铸钢节点承载力满足规范要求。5铸钢

13、节点三A有限元分析5.1 节点概况5.1.1 节点概况该节点位于结构主要部位，对整体安全性起重要的作用，并且为多杆连接节点，受力复杂，需对其进行有限元分析。节点三维轴测图表5-1 杆件规格表单元号构件规格材质7825P450X50G20Mn5QT8320P180X25G20Mn5QT8321P180X25G20Mn5QT8334P180X25G20Mn5QT8335P180X25G20Mn5QT9564P351X50G20Mn5QT9567P351X50G20Mn5QT5.1.2 内力选取 施加在铸钢节点上的力通过midas软件从整体结构中提取，根据内力组合原则选取节点处的控制组合，具体提取的

14、内力如下表所示。 表5-2 荷载工况下杆件的内力荷载工况单元轴向(kN)剪力-y(kN)剪力-z(kN)扭矩(kN*m)弯矩-y(kN*m)弯矩-z(kN*m)CB307825-2400.3317.59.0720.49-1.3218.13CB308320-48.58-1.85-1.380.12-0.47-5.28CB308321166.43-0.19-0.3-1.310.43-1.46CB308334101.67-2.29-2.420.13-1.99-5.74CB308335-168.91-1.65-1.86-1.21-2.3-2.87CB309564-1818.72-0.020.584.25

15、1.9-6.28CB309567-627.120.120.873.851.77-3.155.2单元选取及网格划分由于所选节点形状较为复杂，采用自由网格划分技术对节点进行网格划分，单元选取Tet（四面体）二次单元C3D4，以提高求解精度。由于有限元模型中采用了二次单元后，往往会增加程序计算时间，在保证求解精度的条件下，减小计算代价，采取以下措施：划分网格时，对节点相贯等重要部位进行了网格细分，以保证求解精度，对与不重要的部位采用较粗网格进行计算。图5-1 有限元网格模型5.3边界条件和荷载作用在节点分析时的边界约束可认为刚接。根据上述内力取值施加。图5-2 铸钢件边界约束条件5.4 弹性分析结果

16、 5.4.1 应力云图 CB30下的节点整体应力云图 5.4.2变形云图CB30下的节点变形云图从节点Von Mise应力云图可知，在一倍设计荷载下节点应力最大处为56.85MPa，具有一定的安全储备。从节点的变形图可以看出节点位移很小，最大为0.56mm，说明该铸钢节点具有较大刚度。5.5弹塑性极限承载力分析根据铸钢节点应用技术规范，通过弹塑性有限元分析可得到节点的极限承载力，钢材本构按理想弹塑性，屈服强度为300MPa，弹性模量2.06105N/mm，泊松比为0.3；钢材弹塑性本构根据前述应力塑性应变曲线确定。破坏荷载施加方式为所有杆端力均逐步增加，直至节点破坏。 极限荷载下节点整体应力云

17、图 荷载作用全过程荷载位移曲线上图给出了铸钢节点杆件在1到10倍设计荷载下节点极限承载力，从图中我们可以得出极限承载力为设计荷载值的8倍，其值大于3倍的设计承载力，铸钢节点承载力满足规范要求。6铸钢节点三B有限元分析6.1 节点概况该节点位于结构主要部位，对整体安全性起重要的作用，并且为多杆连接节点，受力复杂，需对其进行有限元分析。节点三维轴测图表6-1 杆件规格表单元号构件规格材质7765P500x50G20Mn5QT8006P180x25G20Mn5QT8007P180x25G20Mn5QT8020P180x25G20Mn5QT8045P180x25G20Mn5QT9534P351x50G

18、20Mn5QT9537P351x50G20Mn5QT内力选取施加在铸钢节点上的力通过midas软件从整体结构中提取，根据内力组合原则选取节点处的控制组合，具体提取的内力如下表所示： 表6-2 荷载工况下杆件的内力荷载工况单元轴向（kN）剪力-y（kN）剪力-z（kN）扭矩（kN*m）弯矩-y（kN*m）弯矩-z（kN*m）CB17765-3595.54-4.7966.432.7848.64-9.8CB180062.081.01-0.81-0.061.121.11CB18007172.161.37-0.21-0.291.151.73CB18020270.40.23-0.4-0.151.141.0

19、3CB1804512.620.03-0.59-0.291.850.18CB19534-1940.345.9112.54.0327.65.28CB19537-1584.45.779.292.3818.332.936.2单元选取及网格划分由于所选节点形状较为复杂，采用自由网格划分技术对节点进行网格划分，单元选取Tet（四面体）线性单元C3D4。在保证求解精度的条件下，减小计算代价，采取以下措施：划分网格时，对节点相贯等重要部位进行了网格细分，以保证求解精度，对与不重要的部位采用较粗网格进行计算。 图6-1 有限元网格模型6.3边界条件和荷载作用在节点分析时的边界约束采用刚接。根据上述内力取值施加。

20、图6-2 铸钢件边界及荷载施加图6.4弹性分析结果应力云图CB1下的铸钢件应力云图变形云图CB1下的铸钢件变形云图从Von Mise应力云图可知，在一倍设计荷载下铸钢件最大应力为59.31MPa，具有一定的安全储备。从铸钢件的变形图可以看出节点位移很小，最大为0.426mm，说明该铸钢节点具有较大刚度。6.5 弹塑性极限承载力分析根据铸钢节点应用技术规范，通过弹塑性有限元分析可得到节点的极限承载力，钢材本构按理想弹塑性，屈服强度为300MPa，弹性模量2.06105N/mm，泊松比为0.3；钢材弹塑性本构根据前述应力塑性应变曲线确定。破坏荷载施加方式为所有杆端力均逐步增加，直至节点破坏。极限荷载下铸钢件应力云图从所得构件荷载-位移全过程曲线可得到相应极限承载力。荷载作用全过程荷载位移曲线上图给出了铸钢节点杆件在1到10倍设计荷载下节点极限承载力，从图中我们可以得出极限承载力为设计荷载值的6倍，其值大于3倍的设计承载力，铸钢节点承载力满足规范要求。