*本文源自汽車行業用戶范會超投稿

1.工程背景

近幾年，在機械產品設計領域，SimSolid 作為一款無網格分析軟件，正發揮著日益重要的作用，尤其在鋼結構設計過程中展現出獨特優勢。傳統鋼結構設計流程復雜，需投入大量時間進行有限元模型構建與分析，而 SimSolid 的出現極大地簡化了這一過程。

本文章重點和大家分享 SimSolid 在鋼節點設計分析中的應用，因為鋼節點設計在鋼結構整體設計過程中處于核心地位，它既是結構連接的樞紐，又是荷載傳遞的關鍵，更是保障安全、控制成本和實現結構靈活性的重要環節，對鋼結構的整體性能和工程質量起著決定性作用。

2.軟件簡介

Aitair SimSolid 是一款專門為快速發展的設計流程開發的結構分析軟件。它消除了幾何體簡化和網格化過程，可快速對復雜 CAD 裝配體進行分析，大大縮短了結構的分析周期。支持多種分析類型，包括靜力學分析、模態分析、熱分析、結構熱耦合、非線性靜力學分析（接觸、材料和幾何形狀分析）、疲勞分析、線性動力學（時間、頻率和隨機響應）等多種分析類型，能滿足不同工程場景的需求。

3.主要內容

3.1 鋼節點連接

鋼節點設計的性能指標中，節點強度直接關乎整個鋼結構的穩定性與安全性。如下圖1所示的螺栓連接和焊接，是鋼結構設計中最常見兩種節點連接方式，下面針對焊接連接，開展強度分析方法的介紹，同時與依據鋼結構設計規范的計算結果對比，對仿真結果進行合理性說明及討論。

圖1.紅色圈示-螺栓連接；綠色圈示-焊接

3.2 焊接連接節點

焊縫連接設計包括兩個關鍵參數，即焊縫長度、焊縫截面尺寸。SimSolid 運用先進的數值算法，快速評估焊接強度是否滿足設計要求，幫助工程師發現鋼節點設計中的潛在失效位置。下面以典型的K型焊接節點，說明SimSolid在節點強度分析中的應用，計算參數及三維結構如下圖2所示。

圖2 設計參數及三維圖

? 3.2.1 模型設置

①焊縫連接模擬：通過兩種方式模擬焊縫，一種是近似法，在導入幾何模型時，軟件根據設置的檢測參數，自動識別的連接關系，在支管端面與主管接觸表面之間建立綁定連接，近似模擬焊縫的載荷傳遞作用，如圖3.1所示。另一種是直接法，導入模型后，根據焊縫的設計長度和焊縫尺寸，建立三維焊縫模型，如圖3.2所示。

圖3.1 方式1-默認綁定連接

圖3.2 方式2 創建角焊縫連接

② 邊界條件設置：在載荷模塊，選擇力/位移工具，如圖4.1所示，定義管接頭端部的作用載荷，主管左側施加921 kN，右側施加載荷545 kN，左側支管受拉伸載荷251.6 kN，友側支管受壓縮載荷275 kN；由于接頭沒有約束邊界條件，因此需要利用慣性釋放的方法計算結構的靜力平衡問題，選擇慣性載荷工具，定義慣性釋放，如圖4.2所示。

載荷定義結束后，顯示載荷加載及方向的模型如圖5.1所示，分析模型的邊界結構樹如圖5.2所示。

圖4.1 端部載荷定義

圖4.2慣性釋放定義

圖5.1 模型載荷條件

圖5.2模型結構樹

? 3.2.2 求解設置

本案例考慮金屬材料非線性，并且結構具有一定的薄板特性，因此求解設置如下圖6所示：

圖6 求解及結構設置

? 3.3.3 結果討論

①理論結果：鋼管材料Q235，屈服強度235MPa，設計強度215MPa，角焊縫的設計強度160MPa。根據鋼結構設計規范計算K型鋼節點支管的承載能力，計算過程如下：

上式中：θ??為受壓支管軸線與主管軸線的夾角，θ??

為受拉支管軸線與主管軸線的夾角，θ??為反應主管軸向應力狀態對承載能力的影響，θ??反映了支管與主管外徑比的參數，θ??反應支管間隙等因素對節點承載力的影響，f表示鋼管的設計強度。各參數的詳細取值及計算公式可查閱文末參考文獻《鋼結構原理與設計》，這里不在贅述。最后帶入相關系數計算結果為：

右側受壓支管最大承載載荷為：

左側受拉支管最大承載載荷為：

經上述計算可知：右側受壓支管的承載載荷為376 kN大于施加載荷275 kN，受拉支管的承載載荷為344.2 kN大于施加載荷251.6 kN，因此該節點結構在設計載荷作用下滿足強度要求。

②方式1仿真結果：采用方式1近似法模擬焊縫的應力分析最大應力304MPa，發生在支管的端面邊緣，如圖7.1所示。由于焊縫簡化為綁定連接，由于支管端面邊緣的幾何尖銳特征，導致此處的應力稍稍偏高。鋼管整體應力分布如圖7.2所示，各管體的最大應力在200~223 MPa之間，均小于屈服強度，可見滿足強度設計要求。

圖7.1 最大應力

圖7.2 整體應力云圖

③方式2仿真結果：采用方式2直接法模擬焊縫的應力分析結果如圖所示，最大應力877MPa，發生在焊縫本體上面，如圖8.1所示。這是因為自動生成的焊縫特征邊緣具有幾何尖銳特征，同時焊縫為線彈性材料屬性，導致此處的應力顯式偏高。鋼管應力分布如圖8.2所示，最大應力在200~223 MPa之間，均小于屈服強度，與方式1的結果基本一致。

圖8.1 最大應力

圖8.2 整體應力云圖

④焊縫分析結果：上述兩種方法均能準確的計算管體母材的受力問題，而對于焊縫本身的強度分析， SimSolid 提供了專門的后處理工具，結合第二種焊縫建模方法，可以準確的評估焊縫的強度風險。如下圖9所示，可以查看焊縫的受力和應力結果，同時可以定義焊縫的單位長度受力失效準則和應力失效準則。

圖9 焊縫結果查看方法

本案例中，焊縫的受力結果如下表1所示，焊縫1的總接觸力251kN，焊縫2的總接觸力276kN，分別與節點支管施加的外載荷相等，說明軟件內部計算達到平衡，結果可靠。

表1 焊縫受力結果統計

本案例中，焊縫的應力結果如下表所示，焊縫1的最大等效應力94MPa,焊縫2的最大等效應力151MPa，均小于焊縫的許用強度，滿足設計要求。

表2 焊縫應力結果統計

除此之外，焊縫工具還可以進一步查看各應力分量沿焊縫長度的分布情況，通過曲線和云圖兩種方式，方便工程師更直觀的理解焊縫受力情況，識別潛在失效問題，并正對性的提出改進方案，如下表3所示。

表3 焊縫應力結果可視化

4.總結及體會

總結：本文通過典型的K型焊接鋼節點，展現了 SimSolid 在鋼結構設計中應用價值，不僅可以準確模擬各類載荷作用下，結構本身和連接體的應力分布情況，并給出詳細的應力云圖與數據，而且可依據分析結果，找到產品的改進方向，通過調整節點形狀、增加加強筋等方式提高節點強度。

體會：SimSolid 在大型鋼結構項目中的應用越來越廣泛，如何建立傳統設計標準與高效計算方法的對應關系，是當前面臨的重要問題。一方面需要設計工程師對 SimSolid 的成功案例進行總結歸納和推廣，另一方面也需要通過 SimSolid 軟件針對各類關鍵節點形式，如焊接、螺接、鉚接等，開展全面的研究對比，建立相應的評價指標和標準，并在項目中不斷修正和完善，最大化軟件的工程價值。

本文中對焊縫兩種建模方式和結果的討論，可以看到幾何突變時的應力集中會帶來異常的高應力，導致結果失真。SimSolid 中更合理的焊縫應力查看方式是借助專門的焊縫工具，通過焊縫合力計算得出焊縫應力。

參考文獻

1. 夏志斌 姚諫 編著 鋼結構原理與設計（第二版）中國建筑工業共出版社
2. SimSolid 幫助文檔

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