名企鋼桁梁多尺度

鋼桁梁多尺度分析技

術(shù)

中

心

：

費(fèi)

業(yè)

剛01

多

尺

度

分

析

的

必

要

性目錄02

midas

FE

A

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模

要

點(diǎn)03

midas

Civil多

尺

度

模

型

結(jié)

果

查

看01多尺度分析必要性多

尺

度

分

析

必

要

性1、整體模型的局限性：整體模型采用空間桿系單元建立，其結(jié)果只能反映各桿件整體的受力和變形，但對(duì)于構(gòu)造復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)區(qū)域的分析有待細(xì)化，特別是整體分析一般無法給出節(jié)點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力分布情況。（參考《三主桁斜邊桁空間桁架公鐵兩用橋節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力分析》）空間桿系模型多尺度模型多

尺

度

分

析

必

要

性2、結(jié)構(gòu)新穎，結(jié)構(gòu)受力不明確：橋梁結(jié)構(gòu)新穎，在橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)局部受力了解不多時(shí)，需要進(jìn)行局部分析。（參考《三主桁斜邊桁空間桁架公鐵兩用橋節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力分析》）空間桿系模型多尺度模型多

尺

度

分

析

必

要

性3、指導(dǎo)設(shè)計(jì)：a、局部模型各板件應(yīng)力不均勻且連接位置不連續(xù)處存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，可用加強(qiáng)焊接等有效連接將應(yīng)力進(jìn)行擴(kuò)散；b、當(dāng)板件應(yīng)力較為集中時(shí)，改變板件厚度或者對(duì)板件采用構(gòu)造設(shè)計(jì)的方式改變應(yīng)力分布。（參考《上海閔浦二橋鋼桁梁節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分析》）多

尺

度

分

析

必

要

性4、設(shè)計(jì)驗(yàn)證：對(duì)于倒梯形鋼桁梁斜拉橋這樣復(fù)雜的橋梁，有必要在全橋整體計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，考慮節(jié)點(diǎn)的局部構(gòu)造細(xì)節(jié)。針對(duì)白居寺長(zhǎng)江大橋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析，節(jié)點(diǎn)在最不利工況下應(yīng)力滿足規(guī)范要求（參考《大跨徑鋼桁梁斜拉橋節(jié)點(diǎn)受力分析》）多

尺

度

分

析

必

要

性5、舊橋檢測(cè)：橫梁和弦桿通過一對(duì)角鋼進(jìn)行連接，理想傳力方式為只傳遞剪力不傳遞彎矩，但是這種連接方式易導(dǎo)致橫梁端部上緣和腹板連接焊縫開裂，在使用過程中一旦發(fā)生疲勞斷裂，就不能進(jìn)行傳力，影響行車安全。（參考《鋼桁梁橋橫梁與弦桿節(jié)點(diǎn)疲勞易損性分析》）02midas

FEA

NX節(jié)點(diǎn)模型建模要點(diǎn)midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)1、工程概況：本橋?yàn)?-108m無豎桿整體節(jié)點(diǎn)平行弦三角桁架下承式鋼桁梁，節(jié)間長(zhǎng)度12m，桁高為12m。兩片桁間距13.6m，行車道寬10m。主桁桿件采用Q370qE鋼材，上平縱聯(lián)、橫聯(lián)及橋面系采用Q345qE鋼材。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)2、圣維南原理：如果把物體的一小部分邊界上的面力，變換為分布不同但靜力等效的面力（主矢量相同，對(duì)于同一點(diǎn)的主矩也相同），那么近處的應(yīng)力分布將有顯著的改變，但是遠(yuǎn)處所受的影響可以不計(jì)。注：1、圣維南原理只能應(yīng)用于一小部分邊界上（又稱局部邊界、小邊界或次要邊界）；驗(yàn)證模型約束位置在橫斷面上，符合圣維南原理；2、“近處”根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般距離力的作用點(diǎn)和邊界為截面高度或者直徑的1~2倍范圍，驗(yàn)證模型可知在2m范圍內(nèi)應(yīng)力有變化，其他位置應(yīng)力均勻。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)局部模型邊界條件：根據(jù)《彈性力學(xué)簡(jiǎn)明教程》中給出的邊界有位移邊界、應(yīng)力邊界和混合邊界。這些邊界條件具體如何在模型中體現(xiàn)，可參考《節(jié)點(diǎn)有限元分析中邊界與荷載的施加方式探討》，該論文將邊界按照位移邊界、內(nèi)力邊界和位移及內(nèi)力混合邊界。位移邊界：節(jié)點(diǎn)模型各端全部固結(jié)，并在邊界約束點(diǎn)位置通過強(qiáng)制位移施加邊界。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)局部模型邊界條件：內(nèi)力邊界：取小尺寸桿端施加固定約束，其他桿端施加內(nèi)力。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)局部模型邊界條件：位移及內(nèi)力混合邊界：取小尺寸桿端施加固定約束，并在該端施加強(qiáng)制位移，其他桿端施加內(nèi)力。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)4、分離節(jié)點(diǎn)原則：a節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的復(fù)雜程度b節(jié)點(diǎn)受力大較大位置根據(jù)以上原則并結(jié)合本案例的施工過程，選取頂推施工過程中最大懸臂節(jié)點(diǎn)的受力最大節(jié)點(diǎn)。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)4、分離節(jié)點(diǎn)原則：a節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的復(fù)雜程度b節(jié)點(diǎn)受力大較大位置節(jié)點(diǎn)尺寸大小根據(jù)圣維南原理進(jìn)行分離，并為了確保各桿件距離受力點(diǎn)足夠遠(yuǎn)，上弦桿尺寸左右各取6m，斜撐取6.7m，橫撐取9m和6.8m。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)5、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：考慮到midas

Civil和FEANX兩款軟件相互導(dǎo)入的便利性，可分離Civil整體模型節(jié)點(diǎn)生成FEANX的模型數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成相關(guān)模型的建立。具體步驟如下：Civil導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)FEANX導(dǎo)入節(jié)點(diǎn)幾何模型處理FEANX導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)Civil導(dǎo)入節(jié)點(diǎn)剛性連接分析計(jì)算midas

Civilmidas

FEANXmidas

Civilmidas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)5、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：Civil導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)，選取導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)的單元，并通過下圖方式生成后綴為“.mcs”的文件。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)5、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：FEANX導(dǎo)入節(jié)點(diǎn)，上文生成的“.mcs”文件時(shí)，調(diào)整FEA

NX單位和Civil模型的單位一致。Civil模型單位FEANX模型單位midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)5、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：FEANX導(dǎo)入過程：midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)5、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：幾何模型處理——生成上弦桿實(shí)體；因?yàn)閺腃ivil中導(dǎo)入的數(shù)據(jù)中上弦桿無法直接生成實(shí)體，所以需要將截面擴(kuò)展為實(shí)體。Civil導(dǎo)入的模型midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)5、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：1）合并面midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)5、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：2）擴(kuò)展midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)5、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：3）布爾運(yùn)算-實(shí)體并集：上弦桿截面和其加勁肋材料相同，可以合并為一個(gè)整體。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)5、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：3）布爾運(yùn)算-實(shí)體并集：重復(fù)上述步驟，將斜撐和橫梁分別合并。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)5、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：4）分割弦桿、斜撐和橫梁三個(gè)實(shí)體相互交叉，存在重疊的部分，需要分割并刪除。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)5、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：4）分割弦桿1和2高度不同，桿件對(duì)接有錯(cuò)臺(tái)，和斜撐相接時(shí)需要對(duì)連接部位進(jìn)行分割。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)5、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：4）分割分割實(shí)體時(shí)選擇3點(diǎn)確定切割面，由于上弦桿截面不同，需要對(duì)斜撐切割兩次并進(jìn)行合并。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)5、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：4）分割分割實(shí)體時(shí)選擇3點(diǎn)確定切割面，由于上弦桿截面不同，需要對(duì)斜撐切割兩次并進(jìn)行合并。錯(cuò)臺(tái)位置分割實(shí)體斜撐和錯(cuò)臺(tái)合并midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)5、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：4）分割-橫梁分割。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)5、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：5）刪除分割的實(shí)體后不需要的幾何體進(jìn)行刪除，選中需要?jiǎng)h除的幾何體，點(diǎn)擊“Delete”或者鼠標(biāo)右鍵刪除部件。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)5、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：6）共享面-為保證各個(gè)幾何體之間劃分網(wǎng)格時(shí)共節(jié)點(diǎn)，需要進(jìn)行共享面的操作。共享面之前共享面之后midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)6、midas

FEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：定義材料—針對(duì)節(jié)點(diǎn)連接桿件所需材料，選擇內(nèi)嵌規(guī)范材料。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)6、midas

FEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：材料定義根據(jù)civil模型中的材料特性修改FEANX中的材料特性。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)7、midas

FEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：屬性定義-針對(duì)不同構(gòu)件并結(jié)合材料定義對(duì)應(yīng)屬性。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)8、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：網(wǎng)格劃分—各桿件統(tǒng)一采用相同網(wǎng)格尺寸進(jìn)行劃分網(wǎng)格，劃分過程注意各桿件對(duì)應(yīng)的屬性。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：導(dǎo)出Civil模型—將FEA

NX節(jié)點(diǎn)模型導(dǎo)出Civil文件，生成多尺度模型。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：注：1、導(dǎo)入FEANX模型前需要將Civil中的模型重新對(duì)節(jié)點(diǎn)和單元進(jìn)行編號(hào)，依據(jù)實(shí)體模型的節(jié)點(diǎn)號(hào)和單元順序編寫桿系模型。2、將上圖標(biāo)注黑色部分命令流刪除后再運(yùn)行導(dǎo)入。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：導(dǎo)出civil模型-節(jié)點(diǎn)和單元重新編號(hào)。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：導(dǎo)出Civil模型-節(jié)點(diǎn)和單元重新編號(hào)。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：剛性連接-實(shí)體單元和桿系節(jié)點(diǎn)剛性連接（主從關(guān)系），以桿系節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)為從節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而完成多尺度模型。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：為了跟多尺度模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比，在FEA

NX完成節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型建模。1）建立各桿件形心節(jié)點(diǎn)，因?yàn)闂U件均是軸對(duì)稱截面，可通過建立截面對(duì)角線的方式確定型心點(diǎn)。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：1）建立各桿件形心節(jié)點(diǎn)，選擇輔助線中心點(diǎn)建立形心點(diǎn)。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：2）將形心點(diǎn)和實(shí)體模型桿件端部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剛性連接（主從關(guān)系）。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：2）將形心點(diǎn)和實(shí)體模型桿件端部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剛性連接（主從關(guān)系）。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：3）邊界-根據(jù)2和3節(jié)的內(nèi)容，對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型進(jìn)行約束，首先模擬位移和內(nèi)力混合邊界，桿端位移和內(nèi)力由多尺度模型得到。位移結(jié)果取小尺寸桿件節(jié)點(diǎn)的結(jié)果，其他均取桿件的內(nèi)力。位移桿件編號(hào)DX

(mm)

DY

(mm)

DZ

(mm)

RX([rad])

RY([rad])

RZ([rad])123456716.76820.83511.63311.94016.83318.43520.9961.8142.0091.3231.6781.2511.1131.0242.438-4.0352.3431.276-2.209-0.00016

-0.00012

0.00002-0.00015

0.001316

-7E-06-0.00016

0.001118

-4.8E-05-0.00014

0.001063

0.000117-0.00018

0.000109

0.0002460.106

0.000044

0.000541

-3.8E-05-8.749

-3.4E-05

0.001242

-0.00045midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：3）邊界-根據(jù)2和3節(jié)的內(nèi)容，對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)體模型進(jìn)行約束，首先模擬位移和內(nèi)力混合邊界，桿端位移和內(nèi)力由多尺度模型得到。位移結(jié)果取小尺寸桿件節(jié)點(diǎn)的結(jié)果，其他均取桿件的內(nèi)力。內(nèi)力桿件編號(hào)剪力-y

剪力-z扭矩(kN*m)

(kN*m)

(kN*m)彎矩-y

彎矩-z軸向

(kN)(kN)(kN)107.08-15.3814.9725.610.37123456710592.84

0.2315345.20

1.605192.43

-28.52-5777.96

-5.515.25-0.450.01-0.02-0.010.000.01-240.843.63-574.14

-24.8743.8269.0428.7221.8324.88-10.9014.970.13233.66-600.32511.660.27-0.10-0.48-0.83-0.220.280.08midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：3）邊界-選取小尺寸桿件添加位移約束，且該位置固結(jié)，位移通過強(qiáng)制位移設(shè)置。注意Civil位移方向和FEA

NX模型的方向。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：3）邊界-將①號(hào)桿端的節(jié)點(diǎn)位移輸入強(qiáng)制位移中，該位置節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)軸和整體坐標(biāo)及Civil坐標(biāo)相同，提取Civil的位置值直接加載到該位置。。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：3）邊界-內(nèi)力邊界，從上文中可知，內(nèi)力主要為集中力和彎矩，所以通過集中力添加軸力和剪力，通過彎矩添加扭矩和彎矩。內(nèi)力的方向判斷：前文中節(jié)點(diǎn)模型的有7個(gè)桿件，其中1、3、4、5、6、7桿件的x軸方向指向節(jié)點(diǎn)連接位置，2桿件x軸指向節(jié)點(diǎn)連接位置外側(cè)。1）

1、3、4、5、6、7桿件添加內(nèi)力邊界時(shí)，Civil中提取的桿端內(nèi)力要取反號(hào)添加到FEANX模型中，但是除彎矩-My之外。2）2桿件添加內(nèi)力邊界時(shí)，Civil中提取的桿端內(nèi)力直接添加到FEA

NX模型中，但是彎矩-My需要改變正負(fù)號(hào)。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：3）邊界-內(nèi)力邊界。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：4）荷載-自重添加。midas

FEA

NX節(jié)

點(diǎn)

模

型

建

模要

點(diǎn)9、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)建模過程：5）分析-設(shè)置分析工況。03midas

Civil多尺度模型結(jié)果查看mid

as

C

iv

il

多

尺

度

結(jié)

果

查

看1、midas

Civil整體模型結(jié)果1）位移結(jié)果：最大位移值為22.769mm，位置在橫梁端部位置。在弦桿端部最大值為21.317mm。mid

as

C

iv

il

多

尺

度

結(jié)

果

查

看1、midas

Civil整體模型結(jié)果2）應(yīng)力結(jié)果：應(yīng)力最大值在各桿件連接位置的上弦桿處，應(yīng)力值為105.5MPa。mid

as

C

iv

il

多

尺

度

結(jié)

果

查

看2、midas

Civil多尺度模型結(jié)果1）位移結(jié)果：位移最大值在上弦桿端部21.95mmmid

as

C

iv

il

多

尺

度

結(jié)

果

查

看2、midas

Civil多尺度模型結(jié)果2）應(yīng)力結(jié)果：上弦桿桿端應(yīng)力為93.7MPa。mid

as

C

iv

il

多

尺

度

結(jié)

果

查

看2、midas

Civil多尺度模型結(jié)果2）應(yīng)力結(jié)果：在各桿件連接位置存在應(yīng)力集中的情況，具體位置為應(yīng)力云圖不連續(xù)位置。mid

as

C

iv

il

多

尺

度

結(jié)

果

查

看3、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)模型結(jié)果1）位移結(jié)果：上弦桿端部位置，數(shù)值為21.64mm。mid

as

C

iv

il

多

尺

度

結(jié)

果

查

看3、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)模型結(jié)果2）應(yīng)力結(jié)果：各桿件連接位置上弦桿端部應(yīng)力，數(shù)值91.37MPa。mid

as

C

iv

il

多

尺

度

結(jié)

果

查

看3、midasFEA

NX節(jié)點(diǎn)模型結(jié)果2）應(yīng)力結(jié)果：各桿件連接位置上弦桿端部應(yīng)力，數(shù)值91.37MPa。mid

as

C

iv

il

多

尺

度

結(jié)

果

查

看4、結(jié)果匯總1）位移結(jié)果：以上弦桿端部位移進(jìn)行對(duì)比，相差最大百分率為3%。模型名稱整體模型多尺度模型節(jié)點(diǎn)模型上弦桿端部位移（21.32mm）21.9521.64mid

as

C

iv

il

多

尺

度

結(jié)

果

查

看4、結(jié)果匯總2）應(yīng)力結(jié)果：以各桿件連接位置的上弦桿端部應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，以整體模