1.问题描述

在钢结构中，受压杆件一般在其达到极限承载力前就会丧失稳定性，所以失稳是钢结构最为突出的问题。压杆整体失稳形式可以是弯曲、扭转和弯扭。钢构件在轴心压力作用下，弯曲失稳是常见的失稳形式。影响轴心受压构件整体稳定性的主要因素为纵向残余应力、初始弯曲、荷载初偏心及端部约束条件等。实际的轴心受压构件往往会存在上述的一种或多种缺陷，导致构件的稳定承载力降低。

    本文利用abaqus对一定截面不同长细比下的H型钢构件进行屈曲分析，通过考虑材料非线性、几何非线性并引入初弯曲，得出构件发生弯曲失稳的极限荷载。通过比较不同长细比下的弯曲失稳的临界荷载得出构件荷载位移曲线，并与《规范》中的构件曲线相比较。钢构件的截面尺寸如图1-1所示。

构件的材料特性： , ,

图1-1

2.长细比计算

通过计算截面几何特性，截面绕y轴的回转半径为 ,长细比取值及杆件长度见表1：

表1

ABAQUS非线性屈曲分析的方法有riks法，general statics法（加阻尼），或者动力法。非线性屈曲分析采用riks算法实现，可以考虑材料非线性、几何非线性已及初始缺陷的影响。其中，初始缺陷可以通过屈曲模态、振型以及一般节点位移来描述。

利用abaqus进行屈曲分析，一般有两步，首先是特征值屈曲分析，此分析为线性屈曲分析，是在小变形的情况进行的，也即上面提到过的模态，目的是得出临界荷载（一般取一阶模态的eigenvalue乘以所设定的load）。其次，就是后屈曲分析，此步一般定义为非线性，原因在于是在大变形情况进行的，一般采用位移控制加修正的弧长法，可以定义材料非线性，以及几何非线性，加上初始缺陷，所以也称为非线性屈曲分析。此步分析，为了得到极限值，需要得出荷载位移曲线的下降段。缺陷较小的结构初始位移变形较小，在极值点突变，而初始缺陷较大的结构，载荷位移曲线较平滑。

4.建模计算过程

建模计算过程以长细比为50的构件为例，其余构件建模计算过程与之类似。

4.1 buckle分析

1 在buckle分析中创建part模块，创建的模型为三位可变形壳体单元，截面参数见图1-1，构件长度1.92。如图4-1示

图4-1

2 定义材料特性及截面属性并将其赋予单元。材料定义为弹塑性，泊松比0.3，屈服强度，弹性模量；腹板和翼缘板为壳单元，厚度分别为0.008和0,01。材料定义见图4-2

图4-2

3 在Assembly装配中创建一个instance。

4 创建分析步，类型为liner perturbation，buckle。如图4-3，分析步名设置为buckle1，此分析步名会在riks分析中引入初始缺陷时用到。

图4-3

5 定义边界及荷载，边界为一端铰支，一端滑动，荷载为单位为1的壳边缘荷载。荷载定义见图4-4

图4-4

6 划分网格。

图4-5

7 创建分析作业，提交并运行分析。结果如下图4-6：

图4-6

在buckle分析中为了后面riks非线性分析可以引入初始缺陷，划分网格结束后需要修改inp文件，在model-edit key words中输入：

*node file

U，

具体位置如图4-7

图4-7

4.2 riks分析

riks模型直接复制buckle模型，然后做以下修改。

1 在model中选择copy model，命名为yagan1-r。

2 在tool中设置参考点set-z，取构件中点以便于输出所需杆件的位移。

3 在interaction中于距杆件两端0.01出设置耦合点，便于施加位移荷载，同时避免应力集中。其中一点设为set-1，以输出反力。

图4-8

4 在分析步中选buckle然后replace step，将其改为general-static， riks，各参数设置见图4-9：

图4-9

5 修改key words，引入初始缺陷。在model中选edit key words，加入命令：

*imperfection,file=buckle1,step=1

1,5e-3

2,5e-3

具体位置见图4-10：

图4-10

6 修改荷载和边界条件，在耦合点上的U3方向分别加0.05的位移荷载，删除原有的壳边缘荷载，边界条件除UR2以外的的自由度全部约束。

图4-11

7 创建分析作业，设置历史输出为set-1的U1和某一耦合点的RF3。提交运行分析。分析结果如图4-12：

图4-12

8 绘出荷载位移曲线，图4-13：

图4-13 荷载位移曲线

重复上述步骤做出表1中剩余长细比的荷载位移曲线，并在同一坐标下做出对比，结果如图4-14：

图4-14 各个长细比荷载位移曲线

5.不同长细比下稳定性系数与规范值对比

模型考虑了材料非线性和几何非线性，对热轧H型钢截面压杆进行稳定承载力分析，对不同长细比下的稳定性系数与规范值进行对比，得到结果如下： 

模型的出的模拟值与规范值偏差较大，特别是在长细比小于50时，得不到理想的屈曲模态。下载本文