基于ansys实现残余应力模拟的一种简化方法及其改进

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1、第七届全围现代结构工程学术研讨会基于Ansys实现残余应力模拟的一种简化方法及其改进赵旭光郭生栋(西安建筑科技大学土木工程学院，西安，710055)摘要：残余应力是在型钢轧制或构件连接过程中由于玲却过程中温度分布不均匀或由于冷轧而产生的一种内部应力。其自相平衡对构件的静力强度计算一般无影响，但因其使构件截面刚度削弱，截而提前进入屈服，对稳定承载力分析计算结果有不可忽略的影响，是普锕结构设计中必须考虑的因素，本文着眼于如何利用通用有限元分析软件^msys方便的模捌构件纵向残余应力，为利用此方法与所

2、得结果进行进一步的稳定承载力分析奠定基础。关键词：残余应力．网格划分密度，高斯积分点，稳定承载力一、引言由于生产工艺的不同，形成的残余应力性质也不尽相同，通常残余应力可分为三类：热轧残余应力、焊接残余应力和冷弯残余应力。也可将前面两种统称为热加工残余应力．其中热轧残余应力是由于型材在热轧以后的截面各部分不均匀冷却引起的⋯。作为一种力学缺陷，其自相平衡对构件的静力强度计算一般无影响，但钢构件由于有残余应力的原因，当构件在压力作用下．残余应力有可能使构件截面提前进入塑性屈服状态，傻截而刚度受到削弱，

3、稳定承载力降低，所以能否准确模拟实际状态下残余应力值的大小与分布就成为稳定承载力分析评价结果有效性的关键。；二、一般分析方法考虑残余应力由于残余应力对结构构件稳定承载力有很大的削弱．及其产生机理的复杂性41，许多年来钢结构研究人员对残余应力的产生机理与影响因素做了细致深入的分析，从热力学理论出发，结合有限元数值计算”1与实际构试件的试验，基本上对残余应力的产生原因与影响做出了理论性的解答，并探讨了在实际研究与设计过程中如何合理与方便的对其进行模拟“：。三、，利用Ansys进行残余应力分析的简化方

4、法轧制工艺与焊接工艺直接决定了残余应力的分布与大小，但结构设计考虑残余应力主要是为进行构件真实承载力研究奠定合理基础，而一般设汁中从热力学角度分析残余应力对设计构件的影响不是一个轻松的话题，也不是完全必要的。本文介绍一种基于通用有限元软件_^Ilsys分析方法，讨论一种模拟残余应力的近似简化方法及其改进方法。利用Ansys某些单元支持初始应力的特点“1．以初始应力模拟残余应力，在支持初始应力的单元中．选用自定义截面beaⅢ188梁单元进行残余应力的模拟与分析。在数值计算方法中不等距高斯积分具有2

5、n+1次的代数精确度．是一种理想而足够精确的数值积分方法，所以初始应力的准确施加有必要在单元的高斯积分点上完成，即选择高斯点输入初始应力，进一步对整个截面产生相应的应力，而对单元截面的划分精致程度决定高斯积分点的位置与数量。结果证明这种方法可以模拟初始应力的分布状态与大小。但当采用此种方法对构件截面施加初始应力时．截面单元划分的精细程度对最终应力工业建筑2007增刊1315第七届全国现代结构工程学术研讨会分布结果有很大影响，截面单元划分过于粗糙将导致计算结果有很大出入，为保证实现残余应力的分布模

6、式，有必要提高截面划分的细致程度以保证结果的精确。从下文算例的分析结果可知，利用Ansys软件可以实现模拟残余应力的基本目标，但从具体操作步骤看，这种不进行人工干预”1的方法有如下三点缺陷：。(1)随着单元截面的细化、高斯点数目的增加很快，这就需要输入的更多的初始应力值，增加了很多重复性的工作。(2)同时观察截面细化状况后可以发现，程序自动细化所产生的截面单元过于琐碎，且分布并不均匀。在一般工字型、T型截面的构件中，腹板与翼缘的交接处截面单元划分过于细致，高斯点过于密集。(3)另外发现沿工字型、

7、T型截面构件厚度方向也进行了截面单元划分。而普钢结构截面除厚度方向有特殊要求的构件，大部分构件截而残余应力是弯曲型分布的，不同于轻钢结构残余应力的薄膜型分布⋯，所以截面单元沿厚度方向的划分并不必要，且增添了工作量。作者在考虑此缺陷情况下，自行编制了对于划分任意工字型、T型截面均适合的程序，生成分析人员所要求的截面网格，即通常所遏问题中，残余应力对实际结构构件稳定承载力影响的主要原因是翼缘外边缘处的残余压应力，这就要求一般翼缘划分份数较多且尺寸一致。另外除了厚度方面有特殊要求的构件，大多数钢构件沿

8、翼缘厚度方向仅须设置一个截面单元，而无须沿厚度方向划分多个单元，这～措施会大大减少工作量，并且由后文算例分析结果可知这种简化对构件利用初始应力模拟残余应力的晟终结果几乎没有影响，符合工程要求。具体操作须事先选取截面类型、截面尺寸、以及残余应力的分布形式与峰值大小，由于是构件上下翼缘残余应力的分布起主要作用，有必要将上下翼缘位置处的残余应力分布模拟为抛物线形状且在翼缘边缘处采用对稳定承载力起不利作用的残余压应力；而腹板残余应力的影响有限，可以近似按线性变化来考虑。材料牟构模型采用理想弹塑性模型。利