铸钢节点有限元分析计算书Word文件下载.docx
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6.4.2变形云图21
6.5弹塑性极限承载力分析21
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,其化学成分与力学性能应符合下表规定:
材质
化学成分%
残余元素%
G20Mn5
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
Ni
碳当量
0.17~0.23
≤0.60
1.0~1.6
≤0.02
≤0.30
≤0.15
≤0.80
≤0.45
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
J≥
G20Mn5QT
1.6220
300
500~650
≥22
室温
-40℃
60
27
2.1.2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—塑性应变曲线
G20Mn5QT钢的弹性模量2.06×
105N/mm²
,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
3.1.1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
5347
P650x30
5370
P900x30
7312
P325x14
7313
7314
7315
16261
3.1.2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)
gLCB1
3746.5
201.3
207.7
79.9
49.6
241.5
5485.3
-1140.3
188.5
-874.3
-125.4
44.5
766.9
37.1
-0.6
5.2
1.6
44.8
1733.0
5.1
0.6
-5.5
32.8
2.6
1107.3
-14.8
3.9
14
-1.3
-25.8
1337.7
7.0
3.8
11.6
21.5
4476.4
1182.3
1017.6
-6.5
-68.1
-1729.4
3.2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
3.4.1应力云图
CB49下的铸钢件应力云图
3.4.2变形云图
CB49下的铸钢件变形云图
从VonMise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2.06×
,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。
8896
表4-1杆件规格表
单元号
3751
P450X50
3753
P325X40
3776
P180X25
8904
8913
9260
9311
9597
10137
4.1.2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
CB32
-938.67
-34
-13.91
0.53
10.68
-51.92
1470.05
13.24
-0.5
6.74
-20.01
24.85
1072.37
5.43
-67.82
-1.56
-89.46
2.18
-277.75
1.53
-0.42
-0.54
-2.05
2.83
-538.59
3.21
3.72
0.9
6.92
7.34
347.05
0.81
0.59
0.61
3.28
2.45
236.33
0.7
-1.57
-1.45
-1.33
1.54
-405.31
-0.32
-2.48
-0.88
-3.14
-0.25
-1447
7.48
44.86
-30.57
37.94
-20.67
-661.22
-1.11
-1.61
1.29
-1.87
-2.18
4.2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VonMise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
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铸钢节点三A有限元分析
5.1节点概况
5.1.1节点概况
表5-1杆件规格表
7825
8320
8321
8334
8335
9564
P351X50
9567
5.1.2内力选取
表5-2荷载工况下杆件的内力
CB30
-2400.33
17.5
9.07
20.49
-1.32
18.13
-48.58
-1.85
-1.38
0.12
-0.47
-5.28
166.43
-0.19
-0.3
-1.31
0.43
-1.46
101.67
-2.29
-2.42
0.13
-1.99
-5.74
-168.91
-1.65
-1.86
-1.21
-2.3
-2.87
-1818.72
-0.02
0.58
4.25
1.9
-6.28
-627.12
0.87
3.85
1.77
-3.15
5.2单元选取及网格划分
图5-1有限元网格模型
5.3边界条件和荷载作用
图5-2铸钢件边界约束条件
5.4弹性分析结果
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VonMise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
极限荷载下节点整体应力云图
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
6.1.1节点概况
表6-1杆件规格表
7765
P500x50
8006
P180x25
8007
8020
8045
9534
P351x50
9537
6.1.2内力选取
表6-2荷载工况下杆件的内力
CB1
-3595.54
-4.79
66.43
2.78
48.64
-9.8
2.08
1.01
-0.81
-0.06
1.12
1.11
172.16
1.37
-0.21
-0.29
1.15
1.73
270.4
0.23
-0.4
-0.15
1.14
1.03
12.62
0.03
-0.59
1.85
0.18
-1940.34
5.91
12.5
4.03
27.6
5.28
-1584.4
5.77
9.29
2.38
18.33
2.93
6.2单元选取及网格划分
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。
图6-2铸钢件边界及荷载施加图
6.4弹性分析结果
6.4.1应力云图
CB1下的铸钢件应力云图
6.4.2变形云图
CB1下的铸钢件变形云图
从VonMise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
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。
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