1介绍
前段时间做了两个钢结构桁架的节点分析，节点本身比较常规，只是由于桁架跨度较大，杆件截面尺寸也很大（箱型截面1000×1500），所以设计院在按照钢结构规范做节点设计的同时，还是想做一下有限元分析，一方面对这种大型节点的受力状态有个更深入的了解，另一方面也想从中发现一些直观上发觉不到的问题，从而指导设计。对设计院这种追求完美的精神很是赞赏！
分析节点处共有7根杆件，所有杆件截面均为箱型，其单元编号、截面尺寸分别见下表、下图：
节点处单元编号及其对应的截面
| 单元编号 | 截面 |
| 690 | BOX:600×1000×30×30×60×60 |
| 691 | BOX:600×1000×40×40×80×80 |
| 692 | BOX:1000×1000×40×40×40×40 |
| 5260 | BOX:1000×1500×80×80×40×40 |
| 5261 | BOX:1000×1500×80×80×40×40 |
| 5589 | BOX:1000×1500×40×40×25×25 |
| 5588 | BOX:1000×1500×40×40×25×25 |
节点处单元编号
2建模
由于所有构件皆为薄壁构件，而且节点中有较多的加劲板，所以在有限元分析中采用的是shell单元。本次分析采用SOLIDWORKS建立几何面模型，然后导入到有限元软件ANSYS10.0进行计算分析。SOLIDWORKS几何面模型见下图：
节点Solidworks面模型三维视图
节点剖面视图1
节点剖面视图2
由图可以看出，节点中有很多加劲板。在建模之前我以为采用面模型、shell单元应该比实体建模简单一些。但是做的过程中才发现，建模的时候是简单，但是后期划分网格的时候比实体模型复杂多了。由于节点中加劲板很多，要保证面与面之间做到“无缝连接”，必须在几何建模中就要考虑在面相交处划开，否则后期麻烦就大了。如果是实体建模的话就不存在这样的问题，撒个种子，一下就搞定了。
像这样的节点，一般是在工厂加工好运至现场的。这样焊接、加工条件比较好，质量比较容易保证，误差也比较容易控制。杆件处端部留有一段“小牛腿”以供后期现场与杆件焊接。那么在建模的时候“小牛腿”肯定要按照设计尺寸建进去，另外“牛腿”之外的杆件部分也应该建立一段，以备施加荷载与约束。因为在施加约束与荷载部位不可避免的会出现应力集中等失真问题，所以将杆件建立一段后，在后期计算结果中，整个“小牛腿”以内的节点核心区都可以认为是真实的。这种方法可以将应力集中等失真问题人为地放在节点核心区之外，以保证分析重点的准确性。但必须注意的是，施加荷载时必须考虑杆件长度对荷载的影响。因为提取的内力是杆件端部节点处的内力，如果不对其进行修正，由于“小牛腿”及杆件的长度，会产生附加弯矩，从而影响计算结果的真实性。
采用常规网格分析技巧，在节点核心区采用三角形shell单元，而外部杆件处采用四边形单元。网格变化处可以实现“无缝连接”。另外，核心区以外的部分只是为了施加荷载与约束，所以网格尺寸可以适当的大一些。在ANSYS中单元划分见下图，图中不同颜色表示不同的板厚。
节点ANSYS有限元模型网格划分
3分析结果
节点mises应力分布（最大值326MPa）
杆件691翼缘板节点mises应力（最大312MPa）
杆件690翼缘板节点mises应力（最大283MPa）
由图可以看出，斜撑与节点核心区的曲面连接板应力较大，最大值达到326MPa。虽然应力较大的面积不是很大，但是静力作用下这么大的应力大家也是不大放心的。所以经过讨论，给设计院提出了增加连接板厚度的建议。
事实上，像这种尺寸较大的节点，核心区连接板的厚度一般应该比杆件壁厚大一些。因为节点区板件受力更为复杂，应力一般也较大。从保证节点强度的角度出发，也应该是这样。
不过，增加板厚只是解决问题的一个途径，也是最容易想到的，但不一定是唯一的。除了增加连接板厚度外，从节点构造上进行改进应该是比较理想的一种做法。
其实共分析了两个节点，这个是跨中部位的节点，另一个是跨端部位的节点（这里就不介绍了）。因为以前做的节点分析相对比较简单，而且以实体建模居多。通过这次节点分析，还是有一些体会，这里不妨写出来大家讨论：
（1） 节点建模之前是采用壳单元还是实体单元，一定要先想清楚。因为建模方式和主要关注的问题是不一样的。个人观点是能采用shell单元的尽可能采用shell单元模拟；因为对于薄壁构件而言，沿壁厚方向要保证一定的网格密度，所以如果要采用实体模型的话，在网格划分时可能会有些困难。
（2）对于薄壁构件等尺度较小的模型，建议采用mm单位，可能会提高模型的精确性（个人理解，不知道对不对）；
（3）可以使用专业的几何建模软件建立几何模型，通过一定格式的文件导入到分析软件中，在分析软件中进行网格划分与计算；不建议在分析软件中建立几何模型。有好多工具为什么不用呢！
（4）除节点核心区外，应该建一段杆件，以备施加约束与荷载，将应力集中等失真问题人为地放在核心问题之外。
（5）可以从整体分析中提取杆端力作为节点分析的外荷载，但是施加在节点模型之前一定要根据杆件长度进行修正，否则会导致较大的附加弯矩；
（6）如果采用的荷载是设计组合作用下的杆端力，那么应力比控制应该采用材料的设计强度。当然，应力比的控制条件应该根据设计者的意图进行确定。
（7）前期建模、计算只是一个过程，对计算结果的分析、处理才是节点分析的目的。特别是如何根据计算结果来指导、调整原设计方案应该是工程师重点研究的问题。
另外，在做的过程中也发现一些有趣的现象。比如以前大家拼命学划分网格的技巧，因为合理的网格密度可以有效的减少节点和单元数量，同时又能保证分析的精确性。但是随着计算机的发展，以目前的电脑配置而言，除非问题特别大，否则完全可以在整个模型中采用相同较密的网格，我们的电脑完全是可以算的。这样可以将人的工作进行简化，而把问题抛给电脑。好像这样也不能说明我们的水平就下降了吧？因为人类发明并改进电脑，目的就是让它们来代替我们工作，这样不是很好吗？
唉，被导师听到又会骂我想偷懒啦！
