[發(fā)明專利]一種基于有限元分析的榫卯節(jié)點(diǎn)擠壓變形模擬方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011059816.3
• 申請(qǐng)日: 2020-09-30
• 公開（公告）號(hào): CN112231806A
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮巖;徐明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/13
• 分類號(hào): G06F30/13;G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 馬嚴(yán)龍

本發(fā)明提供一種基于有限元分析的榫卯節(jié)點(diǎn)擠壓變形模擬方法，包括以下步驟：首先將榫卯節(jié)點(diǎn)三維受力模型簡(jiǎn)化為二維平面應(yīng)力模型；根據(jù)穿枋和木柱擠壓影響范圍將結(jié)構(gòu)劃分為梁柱擠壓變形影響區(qū)域、穿枋擠壓變形邊界和其他區(qū)域；在有限元模型中分別切取上述區(qū)域，并采用不同網(wǎng)格密度或尺寸進(jìn)行劃分；同時(shí)按照原結(jié)構(gòu)受力機(jī)理和理論分析設(shè)置二維模型邊界條件和接觸。通過有限元計(jì)算可以提取得到榫卯節(jié)點(diǎn)接觸區(qū)域精確的擠壓變形曲線。本發(fā)明有效簡(jiǎn)化了榫卯節(jié)點(diǎn)擠壓變形模擬方法，通過在關(guān)鍵受力位置進(jìn)行網(wǎng)格加密，減小了有限元分析中的網(wǎng)格數(shù)量，接觸邊界位置的網(wǎng)格單元長(zhǎng)度可達(dá)0.1mm，提高了榫卯節(jié)點(diǎn)擠壓變形模擬的精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及土木工程領(lǐng)域，具體是一種基于有限元分析的榫卯節(jié)點(diǎn)擠壓變形模擬方法。

背景技術(shù)

榫卯節(jié)點(diǎn)是我國(guó)古代木結(jié)構(gòu)中常用的連接方式。在傳統(tǒng)穿斗式木結(jié)構(gòu)建筑中，大量使用了“穿”，即使用一根枋穿過柱子，將各柱連在一起。在外力的作用下，節(jié)點(diǎn)兩側(cè)擠壓區(qū)將產(chǎn)生對(duì)稱的變形，同時(shí)產(chǎn)生大小相等、方向相反的力，給節(jié)點(diǎn)提供了恢復(fù)力矩。

目前研究中常通過三維有限元實(shí)體模擬的方法研究及驗(yàn)證榫卯節(jié)點(diǎn)的變形情況。當(dāng)三維實(shí)體模型網(wǎng)格尺寸劃分較大時(shí)，有限元模擬計(jì)算速度較快，但精度不能保證，得到的變形情況往往失真；但當(dāng)三維實(shí)體模型網(wǎng)格尺寸劃分鉸小時(shí)，有限元模擬精度得到了保證，但此時(shí)網(wǎng)格數(shù)量過多嚴(yán)重影響其計(jì)算速率。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于有限元分析的榫卯節(jié)點(diǎn)擠壓變形模擬方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種基于有限元分析的榫卯節(jié)點(diǎn)擠壓變形模擬方法，包括以下步驟：

S1：根據(jù)受力特征分析，將連續(xù)三維榫卯節(jié)點(diǎn)模型簡(jiǎn)化為離散二維平面應(yīng)力模型；

S2：輸入榫卯節(jié)點(diǎn)的穿枋和木柱尺寸；

S3：根據(jù)S2中的構(gòu)件尺寸，計(jì)算得到穿枋和木柱擠壓變形的影響范圍；

S4：在穿枋和木柱上截取S3中計(jì)算得到的區(qū)域，并設(shè)置擠壓影響區(qū)內(nèi)、擠壓區(qū)邊界和擠壓區(qū)之外的網(wǎng)格尺寸；

S5：將穿枋擠壓影響區(qū)域邊界的節(jié)點(diǎn)域設(shè)置為Nodeset-1；

S6：根據(jù)榫卯節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)加載情況，設(shè)置穿枋和柱子兩端的邊界條件及兩者之間的接觸關(guān)系；

S7：根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)出Nodeset-1所有節(jié)點(diǎn)的變形，得到擠壓區(qū)域的變形圖。

作為更進(jìn)一步的優(yōu)選方案，步驟1中，由于榫卯節(jié)點(diǎn)的穿枋和木柱沿厚度方向應(yīng)力相同且均勻分布，因此可將三維榫卯節(jié)點(diǎn)模型沿枋厚度方向中心軸切開，簡(jiǎn)化為二維平面應(yīng)變問題。

作為更進(jìn)一步的優(yōu)選方案，步驟S3中，根據(jù)輸入的榫卯節(jié)點(diǎn)的穿枋寬度b，高度h和長(zhǎng)度l，以及木柱直徑d，長(zhǎng)度L和有限元模擬得到的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，確定在木柱和穿枋擠壓變形區(qū)域分別為半徑為R₁和R₂的四分之一圓和半圓：

R₁＝d/2 式(1)

R₂＝R₁/6 式(2)

作為更進(jìn)一步的優(yōu)選方案，步驟S4中，在穿枋和木柱中分別以初始接觸點(diǎn)為圓心，截取半徑為R₁和R₂的四分之一圓和半圓，在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置網(wǎng)格尺寸為1mm，其邊界網(wǎng)格尺寸為0.1mm，擠壓區(qū)之外的網(wǎng)格尺寸為10mm。