【FastCAE—Structure案例】钢结构梁柱节点抗震性能仿真分析

钢结构梁柱节点是框架结构传力的关键部位，其抗震性能直接影响整体结构的安全性。在强震作用下，节点区域受力状态复杂，容易出现螺栓滑移、钢材屈服及局部屈曲等非线性行为。传统物理试验成本高、周期长，难以覆盖多样化的设计工况，而高精度数值仿真技术则能在设计阶段预测破坏模式、优化构造细节，有效提升结构延性与抗震安全储备。

为此，FastCAE团队基于FastCAE生态版底座，集成ACIS+MeshGems商业引擎与OCC+Gmsh开源引擎两套技术方案，开发了结构通用软件FastCAE-Structure。该软件能够灵活对接各类结构求解器，支持结构静力学、动力学等多种工程仿真分析，为钢结构抗震设计与韧性评估提供可靠的技术支撑。

下面结合钢结构梁柱节点案例，对该软件的操作流程进行详细介绍：

核心操作流程

1 创建几何模型

切换几何模块后，可利用工具栏中的已有功能，通过拉伸、旋转、扫掠等方式进行模型的创建与切削，完成模型的创建。

图1 模型创建

也可通过点击菜单栏中的文件>导入>部件，导入梁柱节点几何文件，如下图 2所示。软件目前支持*sat，*stp等几何文件格式导入。

图2 模型导入

2 材料属性

几何创建完成后，可切换到属性模块进行材料创建与赋予，点击工具箱中的创建材料功能进行材料定义（见图3），本算例采用的钢构件均为 Q355 钢，钢柱型号为40a，钢梁型号为25a，螺栓为 10.9 级 M20 摩擦型高强螺栓。

图3. 材料创建

请注意，软件本身不内置单位体系，所有计算均基于用户输入数值进行。 因此，在建模过程中必须采用一致的单位体系，否则将导致计算结果失真。本算例采用 N-mm-MPa 单位体系。

本算例采用两种材料，相同的参数为：质量密度设置为7.85e-9 t/mm3；弹性模量为210000 MPa；泊松比0.3，具体见下图4所示。

图4 材料定义

钢材和螺栓的本构模型分别为三折线模型和三段式模型，两种材料关键塑性参数设置如下图5所示。

图5 塑性参数对比

材料创建完成后，可进行截面创建，分别创建钢材和螺栓两种材料截面，如下图6所示

图6 创建截面

将创建的截面指派给相应的部件，成功赋予属性后几何模型会显示绿色。如图7所示。

图7 创建截面

3 装配

切换至装配模块，对各部件进行实例化与空间定位。通过平移、旋转、阵列等操作，将梁、柱、板及螺栓装配至正确位置，形成完整的梁柱节点模型。如图8所示，左为导入实例模型，右为装配完成后。

图8 模型装配

4 分析步

切换至分析步模块，设置静力通用分析步，在基本信息界面定义时间长度，并打开非线性开关，见图9所示。

图9 分析步创建

增量参数设置最大增量步数为10000，初始增量步为0.1，其他参数设置见图10所示。

图10 增量参数设置

5 相互作用

切换至相互作用模块，定义各部件之间的接触关系。首先创建相互作用属性，接触属性设置两种，一种为考虑摩擦系数，一种为硬接触，具体设置如下图11所示。

图11 创建相互作用属性

相互作用属性创建完成后可以定义接触，定义型钢与高强螺栓帽、钢柱与填板之间为摩擦接触，定义螺栓杆与螺栓孔之间的接触为硬接触，具体设置如下图12所示。

图12 定义面面接触

接触设置成功后进行约束定义，定义梁与填板之间的约束为绑定约束，在柱的两端和梁端分别创建一个RP点，并分别与各自端面进行耦合，便于后续边界与荷载的施加，具体设置如下图13所示。

图13 约束设置

6 边界与荷载

切换至荷载模块，在耦合点上施加边界和约束条件，柱底限制 x、y、z 方向的位移，y、z 方向的转角；柱顶限制 x、y 方向的位移和 y、z 方向的转角，并在 z 反方向施加 1000kN 的轴向压力（轴压比为 0.3）；梁端限制 x 方向的位移和 y、z 方向的转角，并在梁端施加低周往复荷载。边界具体设置如下图14所示，荷载设置见图15所示。