替代钢结构连接有限元模型

在“钢结构节点”模块中分析的连接采用钢结构节点有限元模型替代模型（子模型）。 该模型是根据钢结构节点的拓扑模型创建的。 板、焊缝或螺栓等单独的设计构件在该模型中由基本的有限元对象（面或杆件）表示，此外还辅以特殊对象，例如面接触或刚性连接。 这种方法可以将这些基本构件的力学性能与规范中的解析公式进行比较。 通过使用该子模型可以计算节点的承载力和屈曲，以及刚度和变形能力。

选择“子模型”后， 杆件是二维的。 该距离是从使用的最远的组件开始测量的。

在子模型中，取决于用户的设置，在子模型中对杆件的末端进行刚性支座支承或者施加在全局结构模型中计算得出的重置荷载。 并调整杆件两端的荷载，使其与在该节点上分配了节点的杆件内力相对应。 在杆件的两端使用刚性板加劲，以避免截面翘曲，以及应力集中在受压节点。

默认情况下，子模型的有限元模型使用几何线性分析和非线性材料模型来计算极限强度。 Newton-Raphson迭代法用于分析模型的非线性。 在进行屈曲评估时，默认使用二阶非线性 (P-Δ) 分析，而在稳定性分析时，使用线性特征值法。 有关更多信息，请参见 RFEM 手册中的章节 静力分析设置。

... 在不考虑缺陷的情况下，材料的线性行为和几何非线性行为是确定板的临界屈曲荷载的有限元方法。

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材料模型

在分配的各向同性塑性材料模型中，“子模型”中表示杆件板和插入的板的面具有均匀的厚度。 应力破坏假设基于 von Mises 屈服准则。 使用双线性图。 在达到屈服强度之前，材料一直保持弹性。 弹性模量对应于钢材；在塑性阶段塑性模量为弹性模量的 1/1。

板的极限强度准则为5%等效塑性应变。 该值是一个推荐值，用户可以根据需要进行更改。 通过塑性极限强度确定极限强度，可以利用钢筋的塑性行为和节点内力重分布。 这与钢结构节点的真实性能非常符合。

杆件和板

建模平面杆件和插入的板时使用“平面”几何类型和“标准”刚度类型。 这些面具有均匀的厚度，并分配了各向同性塑性材料模型，相关信息将在材料模型部分中进行介绍。 【面】是一个二维对象，位于板的中心平面上。 如果代表杆件的单个板不能通过它们的边界线直接连接，则可以通过{%！刚性连接 ]]。 “线到线”刚性连接类型是连接被连接杆件板的边界线和在它所连接的板件中创建的集成线。 该连接类型适用于工字钢截面。

对于非平面类型的杆件，例如圆形空心截面和圆角矩形截面，可以通过将弯曲截面分解成更小的平面进行建模。 这些面与平面板的面具有相同的属性。 用户可以更改模型分段的水平。

网格

在“网格设置”中，将有限元单元的形状选择为三角形和四边形，并勾选“尽可能使用正方形”。

每根杆件的杆件板具有相同的网格单元尺寸。 程序默认有最小和最大单元尺寸。 网格单元的大小取决于杆件的截面尺寸， 默认情况下，将截面最长的边缘划分为八等份。 插入的板的网格设置是单独设置的： 网格单元的尺寸是从钢板最长的边缘导出的。 对于不带螺栓的板，默认的在较长的边缘有 8 个单元；对于螺栓连接的板，默认为16个单元。

对于螺栓，圆形节点网格细化仅应用于螺栓连接板的面上。 圆形节点细化后，半径可以是螺栓孔半径的倍数，以及螺栓孔边缘上的单元数量。

对于角焊缝的替代面，可以指定沿焊缝长度的最大单元数量以及最小和最大单元尺寸。

网格节点通过刚性连接]]和{%于#/zh/downloads-and-information/documents/online-manuals/rfem-6/000081 面接触]]。 因为该网格类型会影响被连接面的网格，所以其离散化不是完全独立的。

螺钉

螺栓模型由杆件、面以及面接触组成， 程序为每个螺栓预留了一个孔洞，

板中的孔洞被径向设置的"轮幅"杆件填充。 杆件类型为“梁”，用于传递螺栓杆和板之间的剪力。 用户可以通过网格类型（孔洞边缘上的单元数量）来影响网格划分。 这些杆件的截面为“矩形厚壁”，其尺寸受杆件数量和螺栓连接板尺寸的影响，并与支座中的螺栓面积相对应。

在该节点上可以创建杆端铰。 这里设置的铰是指两个杆件之间不产生洞口，并且只传递板和螺栓之间的剪力。

对于轮辐杆件，用户可以勾选“如果受拉则失效”的非线性，以便只允许螺栓受压部分起作用。 它们都分配了与钢材在弹性状态下相应的各向同性线弹性材料。

螺栓头和螺母模型也使用一组径向杆件（“轮辐”），因为它是应用于螺栓连接板上的孔。 这类杆件的截面尺寸到螺栓头或螺帽的高度不同。 程序不会定义杆端铰和失效非线性。 该组杆件通过连接到径向布置的辐条的环形面延伸。 面的几何类型为“平面”，面的刚度类型为“标准”，厚度类型为标准，与螺栓头或螺母的高度相对应。

螺栓头、孔洞中的螺栓和螺帽的杆件径向系的中心通过一根代表螺栓杆的杆件和螺纹连接。 这里指定的杆件类型为“梁”，编号为 “杆”。 杆件杆件的截面为圆形，螺栓螺纹连接的截面面积为圆形。 该截面材料为各向同性线弹性。

螺栓连接的板之间的截面使用“可定义刚度”的杆件类型。 刚度矩阵对应于螺栓头（螺栓连接）和螺栓连接板之间使用的杆件；唯一的区别是抗弯刚度，显着增加。 如果不调整刚度，螺栓将在该点产生不真实的弯曲，在该处只通过剪力传递力。 螺栓杆的塑性行为体现在在螺栓连接板的连接处的一个杆端铰上。 除了轴向和旋转外，所有自由度都是固定的铰条件。 这种非线性等效于螺栓杆材料的双线性塑性行为。

在螺栓连接的板之间以及这些板与螺栓或螺母头部之间的接触压力的传递表达式000081 面接触]]。 它们位于螺栓圆环面和第一块螺栓连接的钢板之间（最后螺栓连接的板件和上弦帽。 接触类型在垂直于面的方向上设置为“在拉力下失效”，在平行于面的方向上选择“刚性摩擦”。 这里摩擦系数取一个接近于零的值。 这样可以在螺栓杆上产生正确的拉力。

当设计时使用的在 y 和 z 方向上的由内剪力得出的拉力和剪力设计值作用在螺栓连接板之间的杆部。

上图中的编号表示以下组件：

焊缝验算

完全熔透的对接焊缝模型中使用的是板件之间的直接连接。 由 "线到线" 类型的 刚性连接表示。 该连接类似于杆件板之间的连接。 该类型的刚性连接使用“用户自定义分布”和“忽略相对位置”选项。

角焊缝模型也使用刚性连接系统（见下图中的 ➁）和替代面（见下图中的 ➀）。

刚性连接类型为“线到线”，选择了“用户自定义分布”和“忽略相对位置”选项，将连接板的边缘和替代焊缝面的边缘连接起来，用替换面代替参照板 替代面位于角焊缝三角形截面高度的二分之一处。 该高度称为角焊缝的焊缝厚度。 角焊缝的替代面的刚度类型为“标准”，厚度类型为均匀，其尺寸对应于焊缝的焊缝厚度。 程序使用正交各向异性塑性材料模型。

材料模型的设置要与规范中规定的焊缝性质相匹配。 这意味着只有 σ_⊥ 、τ_⊥和 τ 对应于焊缝的应力会被计算出。||出现在替代面上。 在其余的应力方向上，替代面的刚度接近于零。

屈曲分析

使用钢结构替代节点的有限元模型方法也非常适用于通过有限元分析壳体模型来评估钢板屈曲。 为此，需要对用于静力分析的模型进行调整，以便最后应用替代钢节点屈曲有限元模型（屈曲子模型）。

屈曲子模型的设置如下：

• 所有使用的材料都设置为弹性的（杆件和板的材料，螺栓模型的所有部分，焊缝替代面）。
• 在模型的末端加载强制节点变形，而不是全局结构的力模型。 荷载变形等效于节点荷载，但要确保杆件自由端不会对稳定性分析的结果产生不利影响。
• 默认情况下，屈曲子模型在静力分析中使用“二阶(P-Δ)”分析类型，在稳定性分析中使用具有四个最小特征值的“特征值法（线性）”。

在计算完成后，模型会为每个临界荷载系数提供所需数量的特征值。 用户需要自己判断钢节点的稳定性是否满足要求。

刚度分析

这里使用两个子模型来确定节点的刚度。 它们是主要的钢结构节点刚度有限元替代模型（刚度子模型 ）和钢结构节点辅助刚度有限元模型（辅助刚度子模型），考虑了连接杆件的变形影响，用于细化连接刚度的结果。

在“刚度分析配置”中管理着刚度子模型的设计参数。 使用此设置可以选择“分析类型”（几何线性或二阶 P-Δ 分析），并可以定义“最大迭代次数”和“荷载增量步数”。 在“承载能力极限状态配置”中，您可以控制模型大小和网格设置，适用于节点的应力-应变分析。 从承载能力极限状态配置中提取更多的模型参数。

两个子模型（刚度子模型和辅助刚度子模型）上的荷载对应于所研究的节点刚度。 节点的刚度按每一根杆件进行计算。 根据所计算的杆件刚度 S 的类型和方向（S_N+ 、S_N- 、S_My+ 、S_My- 、S_Mz+ 、S_Mz- ），将在杆件的末端施加单位反力。 参与连接的其他杆件有刚性支座。 用于确定“初始刚度”的单位荷载值取决于每个连接的杆件的尺寸。

计算完成后，使用刚度子模型可以计算各杆件末端的变形（旋转或位移）。 从该变形中减去从辅助刚度子模型获得的变形，以考虑附加杆件的刚度。 节点的刚度结果是由荷载和变形计算得出的。 连接可根据刚度分为铰接、半刚性和铰接类型。