鋼材應力的案例
裝配式鋼框架梁柱節點有限元模型仿真(abaqus) ￥280
1 有限元模型的建立
1.1 材料本構關系
鋼材應力-應變曲線
1.2 單元類型及網格劃分
為了確保有限元分析的精確性與效率，選取合適的單元類型和采用恰當的網格劃分策略至關重要。本文中采用的C3D8R單元是一種常用的三維實體單元，用于有限元分析。C3D8R單元有8個節點，每個節點有三個位移自由度，因此，它能夠模擬三維空間中的變形。C3D8R單元使用降階積分策略，具體來說是一點積分，這可以減少計算的成本。然而，它可能導致某些數值問題，如體積鎖定。對于幾乎不可壓縮的材料，C3D8R單元可能會遇到體積鎖定問題。這是由于單元不能適當表達材料的不可壓縮性質，導致過分硬的響應。為了解決這一問題，通常會使用特殊的算法或混合積分規則。有限元網格劃分如圖所示。
有限元模型的網格劃分
1.3 螺栓預緊
在有限元分析中模擬螺栓預緊力的施加是一個關鍵步驟，特別是對于螺栓連接的結構組件。正確地施加預緊力不僅能夠確保模型的接觸狀態和實際情況相符，還能夠模擬在實際加載過程中螺栓預緊力可能發生的變化。
螺栓有限元模型
1.4 接觸設置
在低多層裝配式鋼結構梁柱節點的有限元分析中，接觸設置是模擬結構實際行為的關鍵。由于這種結構類型涉及多種部件，如梁、柱、柱底板、連接件、夾板和高強螺栓等，因此確保這些部件之間的接觸關系準確模擬是至關重要的。接觸設置主要分為焊接和摩擦接觸兩種方式。
展開 ABAQUS案例：CFRP加固H型鋼梁有限元模擬 ￥19.89
（注：不考慮材料塑性變形可不設置該屬性），【Hardening】選擇【Combined】，在表中輸入Q235鋼材真實應力-應變關系。
2.2 點擊創建截面，輸入截面名稱stell，【Category】類別選擇【Solid】實體，【Type】類型選擇【Homogeneous】均質的。點擊繼續，材料選擇Q235，點擊OK。
2.3 點擊指派界截面，選擇工字鋼，點擊完成，在彈出的對話框中選擇定義好的截面【stell】，指派完成后模型變成淡綠色說明指派成功。
3.1.1 點擊創建材料，輸入材料名稱CFRP.點擊【Mechanical】，再點擊【Elasticity】→【Elastic】，【Type】選擇【Lamina 】，輸入數據入下表。
3.1.2點擊【Mechanical】，再點擊【Damage for Fiber-Reinforced Composites】→【Hashin Damage】，定義材料斷裂性能參數。
在【Hashin Damage】參數中依次輸入下表數據
在【Suboptions】中輸入【Damage Evolution】和【Damage Stabilization】參數
展開 【JY】JYLRB插件：一鍵生成ABAQUS橡膠支座模型 ￥480
【導讀】
為了方便大家在分析橡膠支座時的建模，筆者基于<a href="/major/abaqus">ABAQUS平臺開發了一種一鍵生成橡膠支座插件 (JYLRB)，該插件僅需在操作界面設置支座直徑、鉛芯直徑、封板厚度、橡膠厚度、鋼板厚度、橡膠層數、鋼材屈服應力、面壓、所選擇的橡膠本構模型以及剪切模量即可生成橡膠支座模型。內容包括部件的建立及裝配、各部件本構模型的設置、分析步的設置、相互作用的設置、邊界條件及荷載的施加、網格劃分、作業生成。該插件省去了繁瑣的建模步驟，以及本構模型的計算，使用者僅需根據自身需要在模型上微調，可用于隔震支座及結構的精細化分析。
【程序可解決的問題】
在使用ABAQUS平臺對橡膠支座進行分析，動自己的小手進行建模時，由于橡膠與鋼板的接觸面眾多，在設置相互作用時過程繁瑣且很容易出錯，消耗去大家大量的時間。本著能偷懶就偷懶的原則，筆者開發了這款插件。并且在進行分析時，難點在于橡膠支座超彈性材料本構的設置，橡膠材料的力學性能和金屬材料的力學性能有很大區別，如彈性，大變形，不可壓縮等。超彈性材料都有顯著的特征：
（1）能承受大彈性（可恢復）變形，應變可達100-450%；
（2）由于材料分子鏈的拉直引起變形, 所以在外加應力作用下, 體積變化很小。因此, 超彈體幾乎是不可壓縮的；
（3）應力-應變關系呈現出高度的非線性；通常, 拉伸狀態下, 材料先軟化再硬化，而壓縮時材料急劇硬化。
眾多的超彈性本構模型該選哪一種？里面的參數如何計算并設置？而參數的設置對正確分析其力學性能至關重要。
展開 全斷面開挖對隧道鋼拱架的影響分析
Abaqus求解器采用Standard隱式算法
計算模型臨時支撐
計算開挖后隧道鋼拱架的最大主應力、最小主應力和剪應力，云圖如圖所示。
最大主應力
最小主應力 剪應力
計算開挖后鋼拱架的橫向位移、縱向位移、豎直位移，云圖如圖所示
橫向位移
縱向位移 豎直位移
結果分析
鋼拱架最大主應力為0.557MPa，最小主應力為-0.957 MPa，剪切應力為0.955 MPa；鋼拱架應力均遠小于所用鋼材的屈服應力。
鋼拱架橫向位移為2.714mm，縱向位移為0.115mm，豎直位移為8.894mm；鋼拱架位移均符合規范要求
綜上所述，采用全斷面開挖時，鋼拱架各項數值均符合控制標準。
計算機設備：
展開 
CFRP加固H型鋼梁建模
打開作業管理器，點擊【Submit】提交作業，開始計算
8.結果后處理
第一幅圖為不粘貼CFRP的結構應力云圖
第二幅圖為粘貼CFRP的結構應力云圖
由計算結果可以看出，CFRP加固后的H型鋼承載力顯著提高，且有效減小了H型鋼的平面外變形。
計算機硬件情況
CPU參數
內存參數
考慮了雙非線性的復雜鋼結構節點極限承載力分析
圖7 支座2節點ABAQUS有限元模型
2.3 、材料本構模型
計算中采用的本構模型依次為：
1）鋼材雙線性隨動強化本構
采用雙線性隨動硬化模型（如圖8所示），考慮包辛格效應，鋼材的應力-應變關系如圖9所示，在循環過程中，無剛度退化。在多軸應力狀態下，采用了Von Mises屈服準則判斷鋼材是否達到屈服。
計算分析中，Q355鋼屈服強度355Mpa，當470Mpa時假定對應的極限應變為0.015。
圖10 ABAQUS材料參數輸入
相貫節點的鋼管及板材均采用Q355-B鋼，材料參數如表 1所示，鋼材的本構關系采用范梅塞斯(Von Mises)模型，不考慮鋼材的硬化特性。
表 1 鋼材材料參數表
2.4 荷載施加及邊界條件
選取MIDAS GEN 整體模型中此節點處受力較大的荷載組合工況，表 2為最不利工況組合，表 3為荷載工況說明。
展開 異形結構施工4個“必須步驟”，少一項都不行
在豎向荷載標準值的作用下核心筒墻體所受的水平拉應力最大值為 1MPa，豎向壓應力為1.5MPa，小于2.64MPa混凝土開裂應力，因此可判斷墻體水平向不會開裂。
中震荷載作用標準值下，除了墻體與連梁相交處 有水平集中拉應力約為 5MPa，其余大部分約為1.5MPa，小于2.64MPa 混凝土開裂應力，實際設計時，連梁內設置鋼板并深入墻肢一定深度用以抵抗拉應力；墻體在中震作用下，豎向拉應力約為3MPa，局部最大值約為5MPa，但疊加豎向荷載標準值后，豎向基本無拉應力。
在中震彈性組合工況作用下，由于墻體本身在豎向力及中震的應力水平并不高，最大設計壓應力約為 13~16MPa，小于混凝土受壓承載力，最大設計拉應力 1~2MPa，小于鋼筋混凝土的等效受拉承載力，因此可以滿足中震彈性的承載力性能目標。
在豎向荷載標準值的作用下樓面梁板的傳力路徑，核心筒內混凝土梁最大拉力為 335kN少于混凝土開裂應力，水平樓面鋼梁最大應力值約為 6MPa 遠少于鋼材設計應力。
L50 層核心筒外樓板在與核心筒交界處拉應力最大，約為1MPa，其余區域拉應力很小，核心筒內樓板的壓應 力約為1.5MPa；L48層核心筒外樓板的壓應力約為0.5MPa，核心筒內樓板的拉應力約為 1.8MPa，均可滿足設計要求。
2.典型外框偏心節點分析
由于建筑要求室內做到無柱的效果，結構外框梁柱節點采用全偏心的節點連接形式，即外環梁與外框鋼柱連接時，外環梁位于鋼柱的內側，因此類似工程應分析典型節點構造分解圖。
展開 【結構仿真教程】5分鐘學會水輪機活動導葉強度分析
切換為應力云圖，可查看導葉的最大應力，為88.6MPa。這個應力沒問題，遠小于鋼材的屈服應力，不會導致導葉發生永久變形。在云圖中可以看到零件的應力分布，方便進行結構優化。
圖20 切換應力云圖
圖21 查看應力云圖
知識分享 | 測量殘余應力的方法
然后基于彈性理論公式計算出殘余應力的大小。</p><p class="ql-align-center"><img src="https://mmbiz.qpic.cn/sz_mmbiz_jpg/0dOps7rIddqUkQ1GD2w5lkNoLzACLcvBmuKRKobeiapMB69F2F1MhJZBEEcW0U1e5orcTObpw56kr05fyEWggwA/640?wx_fmt=jpeg&from=appmsg"></p><p><br></p><p><br></p><p><strong><u>HBK可提供使用鉆孔法進行殘余應力分析</u></strong></p><p>以下是根據國際標準ASTM E837-13a測量鋼材中殘余應力的<strong>程序示例</strong>：</p><ul><li>利用特制的高速鉆頭，在鉆孔應變花的三個柵絲旁邊的部件上鉆一個直徑為1.8毫米、深度為1毫米的小孔。</li><li>整個過程將以0.05 mm的深度增量全自動進行，并對每個已釋放的應變進行測量。</li></ul><p>隨后根據上述方式測得的應變值，利用分析軟件計算主應力及相關角度（莫爾圓），然后再以表格和圖形方式展示各個數據。
展開 旋轉機械葉片的離心力有限元分析
Von-Mises應力分布，最大值為3.140e6，大小也是在鋼材的許用應力以內的。可以看到應力集中位置在葉片與轉盤的焊接頭尾部位。所以在設計和加工階段，可以適當優化這些部位。
注：本算例僅作為軟件演示用，不作為實際工程分析參考。旋轉速度（Rotational Velocity）是WELSIM v1.7中引入的新功能。WELSIM是一款由中國人研發的大型通用有限元軟件。
基于MATLAB 與ANSYS 的結構優化設計
材料彈性模量為210 GPa，拉壓許用應力均為235 MPa。用混合遺傳算法優化該結構，使其所用鋼材的體積最小。
為了對比，本文分別采用MATLAB 遺傳算法工具箱中的混合遺傳算法及ANSYS 中的零階方法、一階方法3 種方法對該結構進行了優化設計，對比結果見表1。
由表1 可以看出，3種優化方法中基于MATLAB與ANSYS 的混合遺傳算法的精度最好，其最大應力最接近鋼材的容許應力，用鋼量最小。而零階方法的精度最差，其計算用鋼量與混合遺傳算法的計算用鋼量相比增大了16．8 %。一階方法的計算結果與零階方法的計算結果稍好，但其用鋼量仍然比混合遺傳算法增大了8 %。
4 結論
MATLAB 遺傳算法工具箱具有很強的優化功能，且其操作簡單、直觀，而ANSYS 又是通用大型有限元分析軟件。本文充分利用了二者的優勢，實現了MATLAB 與ANSYS 的數據傳遞和調用，對一典型鋼框架結構進行了優化設計，驗證了該方法的可行性。但從分析精度來看，基于MATLAB與ANSYS 的混合遺傳算法要優于零階方法和一階方法。然而，從分析成本來看，混合遺傳算法的分析成本要遠遠的高于零階方法和一階方法，這是由于MATLAB 與ANSYS 的數據傳遞是間接的，每次循環過程計算機都要進行相應文件的讀取與寫入操作，占用了大部分的分析時間。因此，將該方法應用于大型結構的優化設計還需要進一步的探索與驗證。
展開 
CAE工程分析 | 應力分類設計
由于線彈性計算得到的應力沒有考慮塑性流動和強化，因此并不是真實的應力值，而是線彈性計算得到的名義值，不能直接作為強度校核的參考
為了使得線彈性計算得到的名義值能夠進行校核，因此需要重新定義校核準則為：
σ≤λ*[σm]
也即引入一個比例因子λ對許用應力進行縮放，這樣兩邊都是名義值的比較
因此應力分類設計的初衷是為了進行等強度設計以更加充分利用結構性能，核心是對應力根據危害程度進行分類評估，本質是使用塑性失效準則對線彈性結果進行限制
03 為什么需要進行應力分類設計？
直接使用最大米塞斯應力與屈服強度進行強度判斷這么容易理解和使用，為什么還整這么麻煩進行應力分類設計呢？
首先，結構最大米塞斯應力處一般是應力集中位置，集中應力具有典型的局部性和自限性，就算局部發生了塑性變形，但是結構仍然具有較大承載能力
簡單來說就是，按照集中應力校核可能需要200kg鋼材，按照應力分類設計校核可能只需要100kg鋼材，兩種校核體系下都是安全的，只是對材料的使用程度不同
所以并不是彈性校核準則不行，而是過于保守，使得很多非疲勞設計場合浪費過大
其次，很多失效行為并不是由局部集中應力導致，如果一股腦的使用一套準則去校核所有失效行為未免過于草率，有些時候可能得出完全錯誤的結論
另外，裝配體分析計算量本就巨大，如果直接進行彈塑性有限元分析進行設計校核，會浪費過多算力
因此，對于疲勞失效不是主要失效模式的結構設計，進行應力分類設計是一種較好的選擇。
04 如何進行應力分類設計？
既然應力分類設計這么有用，那么具體如何操作呢？
展開 技術干貨丨基于OptiStrcut結構尺寸優化的起重機車架輕量化
車架主體采用薄板件焊接而成，因此采用殼單元來模擬，焊縫連接為將殼單元作延申相交處理，中回座圈采用六面體模擬，支腿搭接處采用MPC滑移面進行模擬，有限元模型見圖1：
圖1 車架有限元模型
材料
材料許用應力包含拉伸、壓縮、彎曲的許用應力，具體參考GB3811-2008以下兩種情況進行計算：
（1）對于屈強比σs/σb<0.7，許用應力為鋼材屈服點σs除以強度安全系數，具體見下表：
表1 材料許用應力
2) 對于σs/σb≥0.7，基本許用應力為（0.35*σb+0.5*σs）/n，式中：
σb鋼材抗拉強度；
σs/鋼材屈服強度；
n與載荷類別相應的載荷系數。
車架支腿主體采用HG785鋼，其屈強比σs/σb≥0.7，因此按照第二種方式計算其許用應力，其相關參數如下表所示：
表2 材料參數
約束條件
左前支腿底部約束XZ自由度，右前支腿底部約束XYZ自由度，左后支腿底部約束Z自由度，右后支腿底部約束YZ自由度。
展開 【JY】基于Ramberg-Osgood本構模型的雙線性計算分析
Ramberg和Osgood（1943年）首先提出了鋼材的三參數應力-應變關系曲線，即著名的Ramberg-Osgood曲線。
鋼結構考試習題集
1 鋼材代號Q235的含義為 （屈服點強度為235Mpa）。
6 鋼材的設計強度等于鋼材的屈服強度fy除以（分項系數）。
7 鋼材在復雜應力狀態下，由彈性轉入塑性狀態的條件是折算應力等于或大于鋼材在——。
8 按（脫氧程度不同）之不同，鋼材有鎮靜鋼和沸騰鋼之分。
9 鋼材的αk值與溫度有關，在-20oC或在-40oC所測得的αk值稱 （低溫沖擊韌度(指標)。
10 通過標準試件的一次拉伸試驗，可確定鋼材的力學性能指標為：抗拉強度fu、—屈服點強度——和—伸長率—。
12 韌性是鋼材在塑性變形和斷裂過程中—吸收能量—的能力，亦即鋼材抵抗 —沖擊或振動—荷載的能力。
13 鋼材在250oC左右時抗拉強度略有提高，塑性卻降低的現象稱為—藍脆—現象。
14 在疲勞設計時，經過統計分析，把各種構件和連接分為—8—類，相同 應力循環次數下，類別越高，容許應力幅越—低—。
15 當鋼材厚度較大時或承受沿板厚方向的拉力作用時，應附加要求板厚方向的—截面收縮率ψ—滿足一定要求。
16 鋼中含硫量太多會引起鋼材的——；含磷量太多會引起鋼材的——。
17 鋼材受三向同號拉應力作用時，即使三向應力絕對值很大，甚至大大超過屈服點，但兩兩應力差值不大時，材料不易進入—塑性—狀態，發生的破壞為—脆性—破壞。
18 如果鋼材具有—較好塑性—性能，那么鋼結構在一般情況下就不會因偶然或局部超載而發生突然斷裂。
19 應力集中易導致鋼材脆性破壞的原因在于應力集中處—塑性變形—受到約束。
20 影響構件疲勞強度的主要因素有重復荷載的循環次數、—應力集中—和—應力幅—。
21 隨著溫度下降，鋼材的—脆性破壞—傾向增加。
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