16有限元分析实例3-22(最终)

工字型截面压弯构件有限元分析简例为了让初学者对ABAQUS软件建模有一个较为详细的认识，本实例取用的是受集中荷载的工字形压弯构件，以此构件进行ABAQUS有限元建模并进行简略分析。 1 问题描述 图1-1所示Q235钢焊接工字形截面压弯构件，翼缘为火焰切割变，承受的轴线压力设计值为600kN，在构件的中央有一横向集中荷载150kN。构件的梁端铰接并在中央有一侧向支撑点。要求验算构件的整体稳定。（钢结构P154，例6-2）图1-1附图2 启动ABAQUS/CAE启动ABAQUS/CAE，选择Create Model Database下的With Standard/Explicit Model，进入ABAQUS的主窗口进行创建新模型操作，如图所示。 图2-1 ABAQUS/CAE主窗口3 创建部件 3.1工字形梁在主窗口界面中的工具区找到并点击Create Part()命令，弹出如图所示的操作窗口。构件名称（Name）建议修改成读者熟知的名称，以方便之后的操作。这里笔者将其命名为“beam”。这里要创建的是三维（3D）可变形（Deformable）实体（Solid）模型，三维构件由二维图形拉伸（Extrusion）形成Approximate size设置为和模型尺寸接近尺寸（这里设为1000）。点击Continue 进入如图所示的操作界面。图3-1 创建部件对话框图3-2 二维草图绘制界面图3-3 工字形截面二维草图图3-4 定义柱拉伸长度图3-5 梁初始模型图3-6 提示选择截面点击Create Lines Connected ()命令，按照所设计的柱尺寸画线。在提示区的输入框内输入起始坐标（-125，380），回车或点击鼠标中键进行确认；按照以上方法依次输入坐标（-125,392），（125,392），（125,380），（6,380），（6,-380），（125,-380），（125,-392），（-125,-392），（-125,-380），（-6，-380），（-6,380），（-125,380），便画出工字形钢梁的横截面。连续点击二次鼠标滑轮（第二次可以用鼠标左键点击提示区的Done选项），会出现如图所示的对话框。在对话框中Depth（厚度）栏输入10000，其它默认选项不变，点击OK便会出现如图所示的界面。3.2切割构件在工具区找到Partition Cell:Define Cutting Plane（），并鼠标左键长按，出现一排分割方式的选项。点击Partition Cell:Extend Face()，提示选择用于作为切割标准的面（图3-6），选择梁腹板的任意一面后点击鼠标中键，接着点击Create Partition按钮(也可以连续点击两次鼠标滑轮）完成部分切割，如图3-7所示。如法炮制，点击Partition Cell:Extend Face()，提示选择需要进行切割的单元，选择呈槽型一侧部分构件（图3-8），点击鼠标中键，之后点击梁腹板的另外一面后点击鼠标中键（图3-9），完成Y向构件的切割。按照上述方法，选择梁腹板作为切割对象（图3-10），并进行X向切割，分别所示依次选择上下翼缘作为切割面并进行切割，如图3-11、3-12、3-13，切割完成后如图3-14所示。下面对梁跨中截面进行分割。首先需要对梁跨中截面设置坐标面，在工具区找到（）并鼠标左键长按，出现一排建立坐标面方式的选项，点击（），选择梁跨中截面任意三点，点击鼠标中键确认，得到坐标面，如图3-15所示。在工具区找到Partition Cell:Define Cutting Plane（），并鼠标左键长按，出现一排分割方式的选项。点击Partition Cell: Datum Plane()，选择整个构件作为分割部分如图，点击鼠标中键，后选择之前定义的坐标面如图，点击鼠标中键确认，构件分割完成，如图3-16所示。图3-7 完成第一次切割图3-8 选择切割对象图3-9 切割另外一面图3-10 选择梁腹板进行切割图3-11 选择梁上翼缘作为切割参考面图3-12 完成腹板与上翼缘分割图3-13切割下翼缘与腹板图3-14 梁部件完成部分切割图3-15 得到由梁跨中三点确定的坐标面图3-16 选取整个梁构件作为分割对象图3-17 选择坐标面作为切割的标准面图3-18 梁切割完成效果图3.3定义坐标点为方便在接触步骤中定义耦合约束的控制点，笔者需要在part模块中定义坐标点。具体步骤如下，在工具栏中找到（），并鼠标左键长按，出现一排建立坐标点方式的选项，点击（），选择梁跨中截面上下翼缘对称两点，点击鼠标中键确认，得到坐标点Datum pt-1，如图3-18所示。4创建材料和截面属性4.1创建材料首先定义Q235钢材。在环境栏中找到Module，在其后面下拉菜单中选择Property选项，在工具区找到并点击Create Material（）命令，笔者将Name一栏改成“Q235”，方便之后的操作，如图所示。图4-1 编辑材性对话框图4-2 创建钢材密度参数图4-3 创建钢材弹性参数按步骤GeneralDensity选择，在Mass Density一栏中输入7.85E-009如图4-2，完成对钢材密度的定义。按步骤MechanicalElasticityElastic选择。在Youngs Modulus（弹性模量）一栏输入206000，Poissons Ratio(泊松比)一栏输入0.3，如图所示的对话框。点击OK选项，定义完钢材Q235的材性。4.2创建截面属性在工具区找到并点击Create Section（）工具，弹出Create Section对话框，笔者将Name 一栏改成“Beam”，其它选项默认，点击Continue进入Edit Section对话框。在Mechanical后的下拉菜单中选择之前定义的Q235选项，点击OK选项。4.4.3分配截面在工具区找到并点击Assign Section（）工具，选取构件，以梁为例（可以通过环境栏中Part下拉菜单来选取构件）。选定整个构件，如图所示，点击鼠标中键（或点击提示区Done选项），弹出Edit Section Assignment对话框，在Section下拉框中选中与该构件符合的材料属性，这里是“Beam”，如图所示，点击OK选项即可，这时选中的构件会变成绿色，如Error! Reference source not found.所示。梁的材性就定义好了。 图4-4 选择梁构件图4-5 指派梁截面图4-6 梁材性定义完成5定义装配件5.1装配梁、柱找到环境栏中的Module，点击下菜单选中Assembly（装配）选项。在工具区找到并点击Instance part()工具，弹出Create Instance对话框，如图5- 所示。选中“beam”，点击OK选项，如图5- 所示，因此示例只有一个构件，无需对构件间进行相对位置的调整。图5- 1 创建实例对话框图5- 2 部件组装完成6定义分析步找到环境栏中的Module，下拉菜单中选择Step选项。在工具区找到并点击Create Step（）工具，出现如图所示的对话框。各项均为默认设置，当然也可以将Name改成自己需要定义的名字，以便区分每一个分析步的功能，比如“Step-1”等。点击Continue选项，出现Edit Step对话框。在Basic下，Time period默认为1，把Nlgeom改选为“On” ，如图所示。再点击Incrementation， Type选项中选择Automatic， Maximum number of incremens中输入一个较大的数，这里设为100000。Initial中输入0.1，其它均为默认值，如图6-3，点击OK选项，第一个分析步就建好了。图6-1 创建分析步图6-2 打开几何非线性开关图6-3 设置增量步7定义相互作用找到环境栏中的Module，点击下拉菜单选择Interaction选项。7.1定义相互作用下面定义相互作用关系。（1）定义耦合点在主菜单栏Tools下拉菜单中选择Reference point选项，分别选择在part中定义的坐标点Datumpt-1，及梁跨中上翼缘中点，则定义了两个参考点RP-1，RP-2，如Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.、Error! Reference source not found.、所示。图7-1 选择在part中添加的而坐标点作为参考点RP-1图7-2得到参考点RP-1图7-3 同理选择梁跨中截面上翼缘中点作为参考点RP-2（2）定义耦合约束在工具区找到并点击Create Constraint（），弹出Create Constraint窗口，Name栏后笔者命名为“Constraint-1”，选择Coupling(耦合)选项，点击Continue选项后按照提示区的要求，先选中点RP-1，之后左击提示区中的Node Region（或点击鼠标中键），再选中RP-1梁跨中截面环向全部边线，点击鼠标中键（或点击提示区中的Done选项），弹出Edit Constraint对话框，点击OK选项，即完成耦合定义，如Error! Reference source not found.所示。同理定义另一耦合点“Coupling-2”，先选中点RP-2，之后左击提示区中的Node Region，再选择梁跨中上翼缘边线，点击鼠标中键（或点击提示区中的Done选项），弹出Edit Constraint对话框，点击OK选项，即完成耦合定义，如Error! Reference source not found.所示。Error! Reference source not found.创建约束 图7-5 选择RP-1作为控制点图7-6 选择Node Region作为约束区域图7-7 选择梁跨中截面边线作为约束区域图7-8 对该耦合约束进行六个方向自由度的约束图7-9 耦合约束Constraint-1效果图耦合约束Constraint-2：Error! Reference source not found.创建约束2Error! Reference source not found.选择RP-2作为约束控制点 图7-12 选择梁跨中线作为约束区域图7-13 约束Constraint-2的六个方向自由度图7-14 耦合约束Constraint-2的效果图定义边界条件和荷载找到环境栏中的Module，点击下拉菜单选择Load选项，定义边界条件和荷载。8.1施加荷载在工具区找到并点击Create Load（），进入Create Load对话框。Name栏后笔者命名为“Load-1”，Step的下拉菜单选择Step1，Category默认选择Mechanical选项，Types for Selected Step菜单中选择Concentrated Force选项，如图所示。点击Continue选项，选择RP-2，如图所示，而后进入Edit Load对话框。在CF2栏后输入-150000，按图所示，设置完后点击OK。图8-1 创建荷载对话框图8-2 选择荷载加载位置RP-2图8-3 编辑荷载对话框8.2 定义边界条件在工具区找到并点击Create Boundary Condition（），进入Create Boundary Condition对话框。Name一栏笔者定义为“BC-1”，Step的下拉菜单中选择Initial，Category选项默认不变，Types for Selected Step选项中选择Displacement/Rotation，点击Continue选项后选择梁一侧截面，点击鼠标中间（或在提示区选择Done选项），勾选U1，U2，U3，约束三个方向，如Error! Reference source not found.所示，点击OK选项，完成后如Error! Reference source not found.所示。图8-4 创建约束对话框图8-5 选择约束梁一端截面图8-6 编辑约束图8-7 约束一端效果图图8-8 约束梁另一端用同样的方法定义梁另外一端约束，笔者定义为“BC-2”，勾选U1，U2，U3，约束三个位移方向。因为此例中有侧向支撑，故选择RP-1并对其耦合区域进行边界约束，该约束值对X向进行位移约束如下图所示。图8-9 创建约束对话框图8-10 选择约束梁一端截面图8-11 只对x向进行约束图8-12 定义边界条件和荷载后效果图9划分网格找到环境栏中的Module，点击下拉菜单选择Mesh选项，开始划分网格。在工具栏中找到Object，在其后点击Part前的圆点切换到单个实体编辑模式。梁网格划分。在Part的下拉菜单中选择“beam”，在工具区找到并点击Seed Part（），进入Global Seeds的设置对话框，设置全局种子。在Approximate global size后设置100，其它均为默认，如图所示的界面。点击Apply选项即可。图9-1 布置全局网格种子图9-2 在part中进行种子布置至此，Part的网格划分完成，可以点击环境栏Object后的Assembly，检查整体构件的网格划分，如图9-3所示。图9-3 网格划分后效果10 提交分析作业 找到环境栏中的Module，点击下拉菜单选择的Job选项。10.1创建分析作业点击工具区的Job Manager（），点击Create，弹出Create Job对话框，笔者将Job命名“Concentrated force”，如图10-1。接着点击Continue，如图所示，参数保持默认值不变。点击OK后Job即建立完成，如图所示。图10-1创建分析工作名称图10-2 默认编辑工作图10-3 作业管理对话框10.2提交分析在图界面时，可以先点击右侧的“Data Check”来检查数据，没有错误后再提交（Submit），提交后可以看到对话框中的状态（Status）提示由“Submitted”变为“Running”，最终显示为完成（Completed）这个过程中可以通过监视器（Monitor）来查看计算过程，包括这其中出现的错误（Errors）、警告（Warnings）以及写入输出数据库中的信息(Output)等。图10-4 网格划分后效果如果Status提示变为Aborted，则表明分析失败，模型存在问题，需在Errors里查看错误信息据此修改模型。11后处理计算完成后，点