鄙人最近在做一个复杂空间节点有限元分析，该节点是一个“结构树”的分叉节点，共有10个树枝。建模分析倒是容易，但是如何设定合理的边界条件，以及选取工况下的内力作为节点结构的施加外荷载，却令我头疼。不知哪位大侠有一些系统地经验和思路可以share,多谢！

以前在一家国内著名空间钢结构公司看到过一些空间结构节点分析，许多方面考虑不太周全，缺乏逻辑严密性。

V6兄，放在“综合讨论”栏目里面没有人气的呀，
这个问题其实是一个比较普遍的工程问题，值得大家费一番口舌，总结一些经验。谢谢！

楼上的xiyushaolin，请问何谓“白痴”？

如果你对这个问题有明确的思路，或者我问的问题确实很幼稚，那我叫“白痴”也无妨。如果你也不懂，恐怕就不知道谁是“白痴”了。

好多节点有限元分析外表做得光鲜，这个问题却是软肋。

[ 本帖最后由 miaoliuhua 于 2007-10-8 18:21 编辑 ]

是弹性分析还是弹塑性分析??

可以做到塑性分析,但是肯定是理想弹塑性的本构.

这么复杂和不利的节点，你居然还要按照塑性分析？

节点设计一般都是构造控制，不是拿来计算的，计算也计算不出什么花来。
如果你查不到对应的构造图，那代表你这个节点设计得不对。

我认为，楼上的这种提法欠妥当。
一般的传统节点设计，按常规构造作法，的确没错；用有限元计算，不太符合实际设计。
但是，现在的钢结构建筑，特别是一些大型公共建筑，存在大量节点无法套用常规做法。比如说，铸钢节点。在这个时候，也只能通过有限元采用实体单元来模拟。


至于版主所说的问题，我们一般是这样处理的：
1、对于支座节点，边界条件比较好解决；对于其他空间节点，一般选取刚度最大的杆件作为约束端。
2、关于内力的选择，的确很麻烦，按道理来说，应该选取每种工况分别计算，这样才能保证节点的受力平衡；但是现在的设计工况越来越多，的确很麻烦，我建议可以选取几种控制工况来进行验算。
3、还有，有限元分析只能是近似分析，最关键的是看结构设计者想了解节点的何种性能，这样才能利用有限元为我们服务。

呵呵，xiyushaolin，高人！

谢谢fangminyong兄的意见，说话很到位，知道您肯定是经历过，思考过，而且总结过的。
1/对于第一条意见：只能这么做了，利用Saint-Venant principle，合理建模，得到自己需要的结果。
2/对于第二条意见：所言极是。现在的节点分析模型都是极其复杂的实体模型，计算耗时很大，必须寻找控制工况，不可能全部计算。我把节点力提取出来，整理成一个详细表格打印出来，在用大脑判断随是控制工况，计算几组。
3/对于第三条意见：诚然。

我这次计算的模型是一个树状结构，不得已我把整个树建立起来了，模拟真实的边界条件，但是采用了子模型技术，压缩了分析时间。

标准方法

将细部分析模型的各端部的中心位置建立一个主节点，然后将各端部分别设
置刚性连接，最后将整体模型分析中得到的位移值(6个位移分量)作为强制位
移加到各端部的主节点上。

请问miaoliuhua兄，你采用的是什么程序分析节点的？是用Midas的管节点分析模块？
个人认为你的节点是比价典型的空间KK节点，这种节点前人做得比较多了，边界条件一般是将主管两端约束，次管管端自由加载（也可将次管管端径向约束住）。当然这也是为方便节点实验而拟的边界条件（你采取的在管端加真实位移的方式节点实验中很难做到）。
边界条件确实对结果有影响，这方面的研究目前还不多。不过你的节点好像与一般的KK节点不太一样？（主管微曲？次管有搭接？）
本人目前也在做这方面的分析，有空多交流。

我使用ANSYS分析节点，不会用MIDAS的。

我做的是一个树形结构的连接节点（如附件插图），不是上述插图中的KK节点。该图是从MIDAS公司桂总的一个培训资料上截取的。

单纯作为计算而言，加位移是一个比较好的方法，但是实验有难度；因此此方法可以作为一个重要的辅助方法，不与实验比较。

有机会多交流，我向您学习。

对复杂节点应进行缩尺模型试验，考察其承载力、延性等性能，验证节点设计承载力的计算结果及有限元分析结果的准确性，并为节点结构的设计提供依据。
大部分模型的有限元分析结果高于实验结果，这是由于实验模型中通常会存在几何和物理缺陷，材料强度也有一定离散性,，而有限元分析模型则是理想情况，所以有限元分析得到的承载力会略偏高.

这个问题你可以参考同济大学，陈以一教授发表的若干文章。也可以去ARUP公司的网站上去下载相关资料。
但有一点需要指出的是，这种节点的分析倒不是节点的受力工况如何复杂。而是节点在每一工况下边界条件如何模拟。
比如说：1）约束主管，在支管上加载；2）约束支管，在主管上加载；3）约束部分主管，在主管和支管上一起加载；等等。
反正就是力和位移轮流控制。

该做法为何正确，由于刚刚接触不是太理解。似乎源于弹性力学的“位移场决定应力场”，另外，不知子结构法是否对该问题的解决有帮助。

我是用的ANSYS分析这类复杂的节点，主要是验证节点的构造做法上有什么缺陷，以便改进节点的做法，提高节点的承载力，做到强节点，弱杆件的抗震构造要求，先用CAD建立实体模型，然后导入Hypermesh对其进行网格划分，再导入ANSYS，定义接触对（主要是加载用的），及边界条件进行弹性，塑性分析，提取等效应力。

建模时，截取节点要注意各管截取的长度要合理，根据直径适当确定留取长度，避免约束区域与节点区交叉影响。

日本对空间管桁架的研究资料很多，那里有很多来自试验研究基础上得到的一些节点计算公式，很有价值。

这里也谈谈自己在节点有限元分析方面的一些经验。特别对复杂钢结构节点。
分析的思路：

目前国内规范对节点的主要要求是“强节点，弱杆件”。所以，就需要判别节点的受力工况。
一般来讲，需要结构设计人员判断相连节点的杆件的实际拉压关系，判断节点在何种拉压关系下
节点的受力是最不利。然后在节点的杆件端部施加杆件的极限承载力。一般还会考虑材料的超强系数。
这里还需要注意是采用何种约束形式。因为加载和约束不准确时，会使节点不平衡，往往会产生很大的不平衡内，导致节点分析的错误。

分析的工具：个人觉得，目前最好分析过程是这样的：可以利用CAD软件(auto cad, solid work,)，进行几何建模，然后导入hypermesh（非常强大的有限元前后处理软件）中进行网格划分，再将有限元模型可以导入ansys,
abaqus,nastran等通用软件进行有限元分析。

这里再简单介绍一下hypermesh，其实它是hyperworks里面的一个模块。土木这个行业用到很少，但这个软件在汽车CAE行业是必备的一个软件。它可以利用它的求解器opistrut进行线性的静力求解。hyperworks具有强大的优化功能，主要有：尺寸优化，拓扑优化等等。如果是铸钢节点，可以利用其拓扑优化功能，知道其最优的材料布置。
附件是某工程巨型桁架节点的有限元网格划分图。
希望可以共同提高，互相交流学习和讨论。
谢谢！

wjw55兄的网格划分的很漂亮，自己也来说两句：）
Hypermesh确实很好用，而且上手很快，只要模型能导进去，不管节点怎样复杂，点几下相关按钮，它总能自动划分出比较理想的网格(四面体的)。当然如果要得到六面体网格，还是要花相当功夫的，要划分出赏心悦目的六面体网格可以说是一门艺术了。
用AutoCAD、SolidWorks、CATIA等建模再导入HyperMesh，如果模型复杂有时也会出现导入错误，这时候可以用CADFix这个软件试一试，修复一些由于容差不一致等导致的软件间几何体拓扑关系错误的问题。

不过通过节点试验会发现，采用实体单元来分析钢节点(如焊接钢管节点)，计算结果在位移上会比试验结果小很多（很多论文也讲到了），这主要是由于实体单元较刚，单元积分点较少造成的(壁厚方向由于计算成本等原因不可能划分好几层)，所以用实体单元看看应力分布还行，若用来计算节点极限承载力、管端位移等等误差可能比较大。
铸钢节点倒是可以用实体单元，焊接节点由于管壁较薄，最好采用壳单元，这时候上面的那些建模、分网的方法好像不可靠了，个人体会：用ANSYS的命令流最实在。ANSYS的建模模块别的不行，对“面”进行复杂布尔运算还是蛮地道的(ABAQUS这点比不上ANSYS)，AutoCAD至2006版似乎还只能对共面的面域进行布尔运算。所以复杂的钢节点还是用原始的APDL比较靠谱，虽然建模很繁琐，但可以经常修改，而且一样可以建很复杂的模型。这可能就是朴素的往往是经得起考验的道理。

另外，节点的边界条件，各汇交杆的内力的选取确实非常重要。把某一工况下的或者最不利的内力（可能轴力和弯剪扭一起上）取出来加在杆子上，分析这个具体节点还行，但在实际结构中节点的各汇交杆的内力会随结构体系的加载变化而变化，会随着其它部位的增强或退化而变化，这是个极其复杂的内力重分布的问题。取单个节点来进行试验和取某一部分(如一榀)或整体结构来进行试验，节点的破坏模式可能是不一样的。为了减少分析开支，就必须对节点的边界条件，各杆子的内力进行简化，这对于复杂节点而言确实不是一件容易的事。这也是为什么K、T型等简单节点研究得多且较深，而现在复杂工程的节点一般就是做做试验再用有限元分析一下而没见到更深入研究的原因之一。

话说回来，节点的有限元分析至今为止还是非常重要的研究工具，至少设计时能做到心中多少有底了。

楼主可不可以把命令流分享一下

陈以一教授的文章的确很高。

不过对于节点的分析，我觉得没有必要主管和细管轮流作为约束和加载。很显然，主管为主，支管加载较为符合实际工况。
所以直接约束主管，加载支管即可。

探讨。

焊接工字形截面杆件，做节点有限元分析时，建模没考虑焊缝的尺寸及形状，特别是角焊缝，我一般都简化为材料连续，不知这种处理方法会有多大的误差。

比较赞成CADer兄的说法，我做节点的分析一般对于焊接钢管节点就用ANSYS直接建模，其实那个都可以编程循环来做。比较厚的就用solid单元了，曾用过Rhino建模 然后导到ANSYS里做计算，顺便说一下，Rhino是款很强大的3d软件，可以划分出很棒的空间网格。
hypermesh我用过，不过很头疼，学的太浅，不过他的mesh能力超一流。

不知道大家都是选用标准值还是设计值，而且最后设计承载力是分析得到的极限承载力按照多少分之一控制呢？

我认为是否可以将所要考虑的节点实体模型建好，放在整体模型中一起进行分析，之前看过华东院做过的一个工程，感觉那样的话可能比较精确。不管什么工况，避免了提取各工况下荷载和考虑约束等问题。

10楼的所说的是一种方法,另一种是在每一构件末端加总体分析得到的内力,但必须假定一套边界条件来限制刚体运动而又不影响力节点本身力的平衡,这个怎么做,我也没做过;另一种方法是在主结构末端加约束,支结构加内力,但所取主结构模型需足够大,一般管件是管径三倍以上,模型越大越接近真实情况。请各位指正。

这种当然最好，但肯定要花大量时间。

如果力是从整体模型中可以得到，一般直接加力，留一根杆件加约束，支反力与整体分的的杆端力是吻合的。

如果要完全精确考虑，我认为只有把节点放在整个结构中分析，即其余部分仍然采用杆系单元分析，节点部分采用实体单元细分，在边界部分采用约束方程，简单地说就是采用子结构，或者说是多尺度方法分析