基于ABAQUS的鋼木組合梁有限元分析

胡 煬 胡彩華

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省卓眾建筑工程有限公司永州分公司 湖南 永州 425000)

一、ABAQUS前處理

(一)H型鋼木組合梁建模

如圖1該H型鋼木組合梁為兩塊75mm×25mm的落葉松木板夾著一根150mm×75mm的H型鋼梁，腹板厚度為5mm，翼緣厚度為7mm，木板與鋼梁之間有一層環(huán)氧樹脂膠，根據(jù)這些尺寸參數(shù)進(jìn)行ABAQUS建模，模型圖如圖2。

圖1 H型鋼木組合梁正截面示意圖

圖2 H型鋼木組合梁模型示意圖

(二)材料本構(gòu)

采用的材料參數(shù)如下：落葉松木輸入彈性階段的參數(shù)，選取的彈性參數(shù)類型為工程參數(shù)，具體參數(shù)見表1，木材為各項(xiàng)異性材料，木材材料方向主要分為順紋(L)、徑向橫紋(R)、切向橫紋(T)三個(gè)方向。

表1 木材材料性能參數(shù)表

而q235材料的H型鋼材料參數(shù)如下：彈性模量為210000MPa，泊松比0.3，塑形階段的參數(shù)由參考文獻(xiàn)[2]中提取試驗(yàn)的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線可以查得。

二、ABAQUS后處理

(一)相互作用及載荷

由于H型鋼木組合之間有一層環(huán)氧樹脂膠，所以在H型鋼木的有限元分析當(dāng)中，為了考慮到鋼木兩種材料之間的粘結(jié)滑移性能，所以使用ABAQUS腳本建立三向彈簧單元來模擬膠單元。

ABAQUS的彈簧單元具有兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，可以通過設(shè)置剛度來確定其線性性能，由于膠層具有三個(gè)受力方向，為了模擬H型鋼與木板之間的粘接滑移于是每個(gè)接觸面設(shè)置三個(gè)方向線性彈簧，分別為接觸面法向(垂直于接觸面，本文為坐標(biāo)軸Y方向)、縱向切向(平行于長(zhǎng)度鋼木組合長(zhǎng)度方向并且平行接觸面，本文為Z方向)、橫向切向(垂直H型鋼長(zhǎng)度方向并且平行于接觸面，本文為X方向)三個(gè)方向。

法向及橫向切向：這兩個(gè)方向的接觸面的相互作用可以近似的看成只承受壓力的的線性彈簧，它的剛度比較大，因此在設(shè)置這兩個(gè)方向的彈簧剛度時(shí)，只需要取一個(gè)較大值即可?？v向切向：此方向的線性彈簧集中反映了鋼木之間的粘結(jié)性能，于是根據(jù)已有試驗(yàn)取一個(gè)近似值即可。

而荷載分配梁和兩端的支座鋼墊板的材料雖然取成Q235鋼，但是為了計(jì)算理想化所以將分配梁和支座鋼墊板設(shè)置為剛體，然后與H型鋼木組合梁構(gòu)件的相互作用設(shè)置為綁定。

由于本文的H型鋼木組合梁構(gòu)件的模型中建立了分配梁，所以只需要在分配梁上加載一個(gè)豎直方向的位移即可，而兩端的支座為了更好的模擬簡(jiǎn)支梁，所以一端支座設(shè)置為限制X、Y、Z軸的平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，而另一端的支座設(shè)置為限制Y、Z方向的平動(dòng)及X、Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于本文中的模型，X方向?yàn)榱簶?gòu)件的橫向切向，Y為垂直于梁構(gòu)件的法向，Z為梁構(gòu)件的縱向切向。

(二)網(wǎng)格劃分

ABAQUS的數(shù)據(jù)庫(kù)具有很多種類的單元類型。本文采用減縮積分的實(shí)體單元(C3D8R)，雖然相對(duì)完全積分精度有所降低，但是考慮到梁構(gòu)件模型不太復(fù)雜，同時(shí)也能減少計(jì)算時(shí)間極大的提高了單次計(jì)算的效率。為了減少采用這種單元類型造成的精度損失，將整個(gè)模型的網(wǎng)格統(tǒng)一劃分為20mm。

三、對(duì)比分析及結(jié)論

對(duì)ABAQUS有限元分析導(dǎo)出有限元模型的跨中荷載撓度值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，見表2和圖3，可以看出前半部分模擬良好，后半部分的曲線也在誤差范圍內(nèi)，這是因?yàn)樵囼?yàn)?zāi)Ｐ秃陀?jì)算模型之間存在一定的差異，才會(huì)造成結(jié)果的不同，可能的差異有：木材材料性質(zhì)、構(gòu)件的初始缺陷等。

表2 跨中荷載撓度值對(duì)比表(/mm)

圖3 試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比分析示意圖

因此通過ABAQUS來模擬H型鋼鋼木組合梁是一種有效的方式，但是必須正確創(chuàng)建部件、設(shè)置材料屬性、設(shè)置相互作用和載荷、劃分網(wǎng)格等若干問題，才能確保有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。