用ANSYS处理杆系结构中的节点刚域问题
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇用ANSYS处理杆系结构中的节点刚域问题范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘要：理论上的结构简化计算图式往往会与实际的结构物不相符合, 如果用一般的力学模型，就无法真实地模拟此区域的力学特性，在ansys中可以用节点耦合的方法或采用刚度很大的小单元来处理刚域效应。
关键词：杆系结构 节点刚域 刚度矩阵
Abstract: the theoretical structure simplified calculation scheme will often and the actual structures is not consistent with, if using general mechanical model, there can be no real simulation of mechanical properties of the region, in ANSYS can use the method of coupling dofs or adopted by a small unit stiffness to handle just field effect.
Keywords: rod structure node just domain stiffness matrix
中图分类号：U445文献标识码：A文章编号：
1 节点刚性区力学特性分析
理论上的结构简化计算图式往往会与实际的结构物不相符合，如在钢结构中，为了保证杆件连接区的刚性，经常用加强板等对结点进行加强，又如实际结构中几个构件在某节点发生交汇时，交汇节点附近区域因构造原因形成一刚度很大的区域，称为“刚域”[1]，如图1所示，桁架平面内构件抗弯惯性矩I=bh3／12，虽然进入节点刚性区后断面宽度b不变，但由于h的剧增，平面内抗弯刚度显著增大了。轴向刚度也由于构件面积和轴向刚度而急剧增长，所以节点刚性区内构件的轴向刚度、抗弯刚度都很大，基本上可以认为不发生轴向、弯曲变形，从而在整体上看作一个刚性块体[2]。
如果用一般的力学模型，就无法真实地模拟此区域的力学特性，对于杆系结构，常采用梁单元来计算其受力特性，以考虑杆件端部次弯矩，如图2所示。
2实现方法
在ANSYS中可以用节点耦合的方法或采用刚度很大的小单元来处理刚域效应。
第一种方法是当需要迫使两个或者多个自由度取得相同(但未知)值，可以将这些自由度耦合在一起。相耦合的两个节点之间单元的刚度相当于无穷大，即实现了刚域效应。耦合自由度集包含一个主自由度和一个或者多个从自由度。只有主自由度保存在矩阵方程中，而其他从自由度则从方程中删除，故耦合自由度实际上是降低了平衡方程的个数。用命令CP来实现节点耦合。耦合自由度是对有限元模型的节点操作，因此关键点不能直接进行自由度的耦合操作。
第二种方法是选择有限元模型时，为模拟这种刚域效应，可以在节点附近采用刚度很大的小单元来模拟刚性区域。
本文以一平面梁结构为例，如图3所示，采用以上两种方法，说明其刚域效应对结构挠度和弯矩的影响程度。
耦合自由度法得到跨中弯矩为473.769N∙m，挠度为4.99×10-6m，在节点附近加设刚度很大的小单元的方法得到跨中弯矩为473.77N∙m，挠度为4.99×10-6m。可见两种方法等效。当不考虑节点刚域效应时，跨中弯矩为500N∙m，挠度为5.72×10-6m。分析表明考虑节点的刚度效应与否对结构的挠度有一定的影响，影响不是很大。从上面的数据也可以看出，节点刚域对结构的弯矩有影响。
由于结构节点的刚度实际上也不是完全刚性，因此，实际结构的挠度及内力应该是介于设与不设刚臂之间。对于结构的精确计算，节点刚度的大小取值还有待于进一步研究，这也就是弹性连接问题。
弹性连接，也即节点连接有着一定的刚度，而节点连接刚度对结构的力学行为存在一定的影响，其影响程度会因结构不同而不同，通常这种影响可不必考虑，但对于某些特殊结构如网架结构其影响就相对较大，应予以考虑。节点连接刚度可根据试验数据确定，也可根据板壳单元或实体单元的节点受力分析得到，进而应用到梁结构中，以减少计算花费。当然也可采用全壳或实体单元模拟整个结构，即所谓“全结构仿真分析”，从而获得更加精确的结果，但计算花费较大。节点连接刚度可采用MATRIX27单元模拟，该单元的两个节点可重合或不重合，每个节点有6个自由度，其单元刚度为12×12的矩阵，矩阵元素通过实常数读入。对称的单元刚度矩阵输入上三角元素C1-C78，不对称时还要输入下三角元素C79-C144。
3结束语
(1)考虑节点的刚域效应与否对结构的挠度有一定的影响，不过总体上影响不是很大。
(2)节点刚域效应对于结构弯矩影响比较大，即节点的刚度效应不能忽视。
(3)由于结构节点的刚度实际上也不是完全刚性，因此，实际结构的挠度及内力应该是介于上述两种算法之间；对于结构的精确计算，节点刚度的大小取值还有待于进一步研究。节点连接刚度可根据试验数据确定，也可根据板壳单元或实体单元的节点受力分析得到，进而应用到梁结构中，以减少计算花费。当然也可采用全壳或实体单元模拟整个结构，即所谓“全结构仿真分析”，但计算花费较大。
参 考 文 献
[1] 钟万勰，丁殿明，程耿东．计算结构力学[M]．北京：高等教育出版社，1989，24-44．
[2] 张永健，黄平明，王达．节点刚域效应对斜拉式桁架桥的受力影响[J]．同济大学学报，2007，(2)．
[3] 王新敏．ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007．346-365
Dealing with the Problem of Frame Structures’ Rigid Link by ANSYS
Zhang Li
(China Railway 16 Bureau Group Beijing Metro Engineering Construction Co Ltd ,Beijing 100068,China)
Abstract： It is not correspond to reality if we simplify the structure of the theoretical calculations. If using the general mechanical model, you can not truly simulate the mechanical properties of this region. You can use the nodes coupling method in the ANSYS or use small units whose stiffness is very large to handle the stiffness effect.
Key words：frame structures; rigid link; stiffness matrix
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。