[发明专利]一种木结构用齿板连接节点受力性能的数值模拟方法

摘要

本发明提出的一种木结构用齿板连接节点受力性能的数值模拟方，属于工程结构仿真技术领域，该方法均采用平面应力单元模拟木构件和齿板面板单元，采用2节点自定义单元模拟单个齿连接，首先建立有限元模型、确定输入参数、输出参数并生成有限元模型数据文件，其中，定义自定义单元的材性参数包括：用于描述4种标准工况下齿连接荷载‑位移曲线的参数、齿板主轴方向与全局坐标系x轴的夹角βs、木构件的纹理方向与全局坐标系x轴的夹角βw；然后获取有限元模型数据文件的数据，求解有限元模型并输出结果到结果数据文件中。本发明所需模型参数较易确定，可适用于各种齿板形状、多种木材纹理及齿板主轴方向等复杂工况下齿板节点的受力性能的模拟。

主权项

一种木结构用齿板连接节点受力性能的数值模拟方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：1)建立有限元模型，生成有限元模型数据文件1.1)确定有限元模型的单元建立齿板连接节点的有限元模型，该模型包括三种类型单元：模拟木构件的单元、模拟齿板面板的单元以及模拟齿板面板与木构件间连接的单个齿的自定义单元，木构件和齿板面板在每个齿处均通过一个自定义单元连接；其中，模拟木构件的单元和模拟齿板面板的单元均采用平面应力单元模拟；模拟单个齿的自定义单元为2个节点的自定义单元，一个节点位于齿板面板单元上，另一个节点位于木构件单元上；确定单元类型后，根据齿板连接节点的实际构造，按有限元模型数据文件编写规则，输入木构件、齿板面板以及自定义单元的各个节点的编号及对应的几何坐标；对于木构件和齿板面板单元，通过按顺序依次指定各单元内各个节点编号定义一个平面应力或单元；对于自定义单元，通过指定各自定义单元2个节点的节点编号定义一个2节点单元；1.2)确定有限元模型输入参数和输出变量并生成有限元模型数据文件；1.2.1)确定模拟木构件间的接触性能、加载时间的输入参数和输出变量：模拟木构件间的接触性能，在有限元模型中两木构件单元的接触边定义接触对，在模型数据文件中输入接触对之间的摩擦系数；确定输入加载步时长T、施加荷载的类型及大小、各类单元的阻尼，以及结果保存的次数n；输出变量的种类，包括：节点位移、节点速度、节点加速度、单元应力、单元应变；1.2.2)确定木构件单元和齿板面板单元的材性参数，包括木材的顺纹方向弹性模量和横纹方向弹性模量、齿板主轴方向的弹性模量、次轴方向的弹性模量；1.2.3)定义自定义单元的材性参数，包括用于描述4种标准工况下齿连接荷载‑位移曲线的参数；齿板主轴方向与全局坐标系x轴的夹角βs；木构件的纹理方向与全局坐标系x轴的夹角βw；单个齿的自定义单元的质量m；其中，用于描述4种标准工况下齿连接荷载‑位移曲线的参数按下述方法确定并输入：所述4种标准工况包括：AA‑荷载平行于木材纹理及齿板主轴，AE‑荷载平行于木材纹理但垂直于齿板主轴，EA‑荷载垂直于木材纹理但平行于齿板主轴，EE‑荷载垂直于木材纹理及齿板主轴；通过板齿极限承载力试验分别获得4种标准工况下齿板连接节点的荷载‑位移曲线，并将所得曲线中的荷载除以试验时试件的有效齿连接个数，得到考虑群体效应的单个齿连接的荷载‑位移曲线；选用公式(1)所示的函数分别拟合4种标准工况的荷载‑位移曲线：式中，f为单个齿连接承担的荷载，δ为齿板连接节点的整体位移，F0、K1、K2分别为3个待拟合的齿连接荷载‑位移曲线参数；通过公式(1)得到4种标准工况的齿连接荷载‑位移曲线参数分别为：AA组(F0_AA、K1_AA、K2_AA)，AE组(F0_AE、K1_AE、K2_AE)，EA组(F0_EA、K1_EA、K2_EA)，EE组(F0_EE、K1_EE、K2_EE)；每组3个共计12个参数；每个自定义单元质量m按一个齿连接的实际质量作为输入参数；将上述有限元模型的输入参数、材性参数及输出变量生成有限元模型数据文件；2)获取有限元模型数据文件的数据，求解有限元模型并输出结果到结果数据文件中，该输出结果作为木结构用齿板连接节点受力性能的数值模拟；2.1)读取根据步骤1)确定的有限元模型数据文件，计算有限元模型中各类单元的质量及稳定增量步长，初始化各变量，其中设置加载时间t＝0：所述木构件和齿板面板单元为常规的平面应力单元，木构件和齿板面板单元的质量通过单元的几何尺寸和材料密度计算得到，木构件和齿板面板单元的稳定增量步长由单元的特征尺寸与材料膨胀波速的比值确定；计算该自定义单元稳定增量步长：自定义单元的初始刚度取K1_AA，自定义单元的稳定增量步长按计算；同时，将自定义单元计算的内部变量初始化；取有限元模型中全部单元的稳定增量步长的最小值作为有限元模型的稳定增量步长dt；进行各变量初始化；2.2)在加载时间为t，增量步为dt时对有限元模型进行计算，完成木结构用齿板连接节点受力性能的数值模拟；具体包括：2.2.1)建立并求解动力方程，确定加载时间为t时的有限元模型所有节点的加速度，通过中心差分法计算得到t+dt/2时刻所有节点的速度和t+dt时刻所有节点的位移；2.2.2)根据步骤2.2.1)得到t+dt/2时刻各个节点的速度和t+dt时刻各个节点的位移建立并求解几何方程，得到加载时间t到t+dt时所有单元的应变增量dε；2.2.3)根据步骤2.2.2)得到的应变增量对木构件和齿板面板单元建立并求解物理方程，计算加载时间为t+dt时的单元应力；根据计算得到木构件和齿板面板单元的应力计算分配到自定义单元2个节点的节点内力；2.2.4)对各个单元的节点的内力进行汇总，即将与节点连接的各个单元分配到该节点的内力相加，得到t+dt时刻的节点内力；2.2.5)若加载时间t为T/n的整数倍，则将此时得到的有限元模型的节点位移、节点速度、节点加速度、单元应力、单元应变输入到结果数据文件中，执行步骤2.2.6)；否则，直接执行步骤2.2.6)；2.2.6)如果t<T，将加载时间t设置为t＝t+dt，返回步骤2.2.1)步进行下一增量步计算；如果t＝T，保存计算结果，该输出结果作为木结构用齿板连接节点受力性能的数值模拟。