基于ABAQUS的焊接結構力學行為有限元分析

詹友金

（福建商學院信息工程學院 福建福州 350506）

連跨型網架結構具有良好建設周期短、結構質量輕以及造價便宜等特點，在農業、工業以及建造業得到良好的工程應用[1]。尤其是作為塑料大棚的支持結構件，通過節點連接而成的一種空間桿系結構，其外形呈曲面狀為網殼，呈平板狀的為網架結構[2]。區別于一般的網架結構，連跨型網架結構跨度較大，由于外部環境因素（例如暴雨、暴雪、大風等天氣）和內部因素（例如負載過重、跨度過大等）的影響導致容易出現坍塌事故發生[3,4]。所以，在設計連跨型網架結構過程中更加需要進行考慮結構材料的抗壓能力和結構的負載能力。在本文采用非線性數值分析軟件ABAQUS對焊接成形的連跨型網架結構進行受力分析，進行自重環境因素影響下焊接結構的非線性承載能力分析。在形式眾多的復雜結構中，通過焊接結構件的承載能力計算對提高結構件可靠性具有重要工程實際效果和良好經濟意義。

一、實驗方法與設計目標

（一）有限元分析法。本文網架結構是由Q235B鋼管焊接形成。網架結構的成形方式為型材焊接。網架結構的設計與成形焊接都是直接涉及到結構安全性的問題。有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題之后再進行求解[5]。本文對Q235B塑性變形焊接一次成形進行工藝設計，考慮其塑性變形回彈量對焊接結構成形性的影響。通過CAD對焊接的L型網架結構進行設計。采用非線性數值分析軟件ABAQUS對焊接成形的連跨型網架結構進行受力分析。分析環境因素影響下焊接結構的非線性承載能力。有限元求解問題的基本步驟通常為：有限元分析可分成三個階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網格劃分；后處理則是采集處理分析結果，以便用戶能簡便提取信息，了解計算結果[6]。

（二）拉伸試驗。使用CSS-88000電子試驗機上進行單軸拉伸試驗，獲得本文試驗用Q235B的基本力學性能，試驗機選擇：由于試驗機的最大試驗力超出太多則試驗不準確，小試樣用大噸位試驗機引起較大的試驗數據誤差，且試驗力應為試驗機最大試驗力的70%-80%時因此計算試驗力為：預估斷裂應力（MPa）×(試樣截面積（mm2）)=試驗力（N），因此本文選用拉伸試驗的試驗機最大試驗力為1噸。根據試驗標準GB228-2002中關于薄板拉伸試樣的制備標準尺寸制備拉伸試驗試樣。

（三）鋼結構大棚成形工藝設計。網架結構采用三縱兩卡結構，利用頂部至底部的落差，提高結構的抗風雪能力和抗振動能力，提高材料的再利用率。其主體結構為6米采用3個圓拱串聯安裝。要求鋼結構使用壽命達15年左右。根據要求設計出6米鋼結構網架結構主體結構及串聯方案如下圖1。

圖1 六米鋼結構網架結構串聯方案

（四）模型裝配與網格劃分。

1.裝配。將建好的二維網架簡化模型導入進入到Assembly模塊中進行裝配。然后在ABAQUS的Assembly功能模塊、Load功能模塊和Interaction功能模塊中定義各個實體間的相互位置關系。

2.網格劃分。網格的選取及種子分布：可以在Mesh功能模塊選擇單元形狀，使用virtual topology來合并小的邊或小的面，也可以忽略某些邊或者某些頂點。然后通過Seed Part Instance按鈕，把各段單元選中，確定好各單元之間的距離，最后完成網格劃分。

3.加載荷。在Lode模塊中，輸入載荷值大約為0.6Mpa對模型進行加載荷處理。

二、結果分析

（一）簡化模型建立。在有限元建模時，應該對實際模型進行簡化處理，以達到在完成分析目的的同時，極大地降低分析過程的難度和工作量。為節約計算空間，提高計算效率對模型進行如下簡化：

1.二維線代替實體管：L型網架結構是直線型實體鋼管焊接而成，考慮到模型建立的簡便，將實體管用線來代替，對模型的受力及分析不會造成影響。

2.直線代替弧線：建立模型時是自下而上的建模方式，點到線，為了使得單元選擇簡單，將模型外圓弧用小段直線連接近似代替圓弧。

3.單元簡化：選擇管單元作為處理單元，其橫截面為圓形，代替Q235B型鋼管橢圓形截面，但保持橫截面積不變。

4.計算模型的簡化：選擇代表受載單元建立有限元模型，結果如圖2所示。

圖2 二維簡化模型

（二）鋼結構靜力學分析。

如圖3所示，通過鋼結構的拉伸試驗，鋼材Q235B的應變隨著應力的增大的增大，當應力達到0.453時，鋼材斷裂。同時，通過有限元模型的簡化和建立過程以及建好模型后確定材料常數值，分別為Q235B密度為7.83×10-9g/mm3，彈性模量為232541MPa，泊松比為0.274。塑料的密度為9.11×10-10g/mm3，彈性模量為750MPa，泊松比為0.4，見表1。

圖3 Q235B力學性能參數

表1 Q235B和塑料薄膜的其他參數

（三）有限元分析。

如圖4a所示，通過ABAQUS軟件的有限元分析可知網架結構應力最大值為5.499×10-4MPa，出現在網架結構靠近約束的部分，即在應力云圖中橢圓標記處，該處所受最大載荷它的數值遠小于Q235的屈服值（235MPa）。由圖4b可知網架結構的等效塑性應變量為0，即表明該結構無塑性變形量，處于彈性狀態。如圖4c所示，應變云圖中除塑料薄膜處有等效塑性應變外其余各處為零，所以，網架結構是處于彈性變形，符合設計要求，能夠抵抗自然載荷的作用。

圖4 有限元分析結果圖

三、結論

連跨型焊接網架是廣泛運用于塑料大棚的支持結構件，主體結構包括鋼架，覆蓋材料，加固材料。結構主體采用焊接成形方式，棚體采用三縱兩卡，結構長6米，落差大?；诰W架結構的特點，使用ABAQUS軟件對主體結構進行有限元分析實驗選擇Q235B鋼作為研究對象。根據鋼結構進行靜力學分析，計算出了網架結構在外載荷條件下鋼結構的應力和應變，并通過應力云圖和應變云圖形象的表示出來。應力最大值為5.499×10-4MPa，出現在網架結構靠近約束的部分，遠小于Q235B屈服強度，等效塑性應變量為0。即表明該結構無塑性變形量，處于彈性狀態。最終得出結果所設計的方案完全符合使用要求。