汽车行业分享丨SimSolid 在钢结构设计中的应用及体会
*本文源自汽车行业用户范会超投稿
工程背景
近几年，在机械产品设计领域，SimSolid 作为一款无网格分析软件，正发挥着日益重要的作用，尤其在钢结构设计过程中展现出独特优势。传统钢结构设计流程复杂，需投入大量时间进行有限元模型构建与分析，而 SimSolid 的出现极大地简化了这一过程。
本文章重点和大家分享 SimSolid 在钢节点设计分析中的应用，因为钢节点设计在钢结构整体设计过程中处于核心地位，它既是结构连接的枢纽，又是荷载传递的关键，更是保障安全、控制成本和实现结构灵活性的重要环节，对钢结构的整体性能和工程质量起着决定性作用。
软件简介
Aitair SimSolid 是一款专门为快速发展的设计流程开发的结构分析软件。它消除了几何体简化和网格化过程，可快速对复杂 CAD 装配体进行分析，大大缩短了结构的分析周期。支持多种分析类型，包括静力学分析、模态分析、热分析、结构热耦合、非线性静力学分析（接触、材料和几何形状分析）、疲劳分析、线性动力学（时间、频率和随机响应）等多种分析类型，能满足不同工程场景的需求。
主要内容
3.1 钢节点连接
钢节点设计的性能指标中，节点强度直接关乎整个钢结构的稳定性与安全性。如下图1所示的螺栓连接和焊接，是钢结构设计中最常见两种节点连接方式，下面针对焊接连接，开展强度分析方法的介绍，同时与依据钢结构设计规范的计算结果对比，对仿真结果进行合理性说明及讨论。
图1.红色圈示-螺栓连接；绿色圈示-焊接
3.2 焊接连接节点
焊缝连接设计包括两个关键参数，即焊缝长度、焊缝截面尺寸。SimSolid 运用先进的数值算法，快速评估焊接强度是否满足设计要求，帮助工程师发现钢节点设计中的潜在失效位置。下面以典型的K型焊接节点，说明SimSolid在节点强度分析中的应用，计算参数及三维结构如下图2所示。
图2 设计参数及三维图
► 3.2.1 模型设置
①焊缝连接模拟：通过两种方式模拟焊缝，一种是近似法，在导入几何模型时，软件根据设置的检测参数，自动识别的连接关系，在支管端面与主管接触表面之间建立绑定连接，近似模拟焊缝的载荷传递作用，如图3.1所示。另一种是直接法，导入模型后，根据焊缝的设计长度和焊缝尺寸，建立三维焊缝模型，如图3.2所示。
图3.1 方式1-默认绑定连接
图3.2 方式2 创建角焊缝连接
② 边界条件设置：在载荷模块，选择力/位移工具，如图4.1所示，定义管接头端部的作用载荷，主管左侧施加921 kN，右侧施加载荷545 kN，左侧支管受拉伸载荷251.6 kN，友侧支管受压缩载荷275 kN；由于接头没有约束边界条件，因此需要利用惯性释放的方法计算结构的静力平衡问题，选择惯性载荷工具，定义惯性释放，如图4.2所示。
载荷定义结束后，显示载荷加载及方向的模型如图5.1所示，分析模型的边界结构树如图5.2所示。
图4.1 端部载荷定义
图4.2惯性释放定义
图5.1 模型载荷条件
图5.2模型结构树
► 3.2.2 求解设置
本案例考虑金属材料非线性，并且结构具有一定的薄板特性，因此求解设置如下图6所示：
图6 求解及结构设置
► 3.3.3 结果讨论
①理论结果：钢管材料Q235，屈服强度235MPa，设计强度215MPa，角焊缝的设计强度160MPa。根据钢结构设计规范计算K型钢节点支管的承载能力，计算过程如下：
上式中：θ𝚌为受压支管轴线与主管轴线的夹角，θ𝚝
为受拉支管轴线与主管轴线的夹角，θ𝚗为反应主管轴向应力状态对承载能力的影响，θ𝚍反映了支管与主管外径比的参数，θ𝚊反应支管间隙等因素对节点承载力的影响，f表示钢管的设计强度。各参数的详细取值及计算公式可查阅文末参考文献《钢结构原理与设计》，这里不在赘述。最后带入相关系数计算结果为：
右侧受压支管最大承载载荷为：
左侧受拉支管最大承载载荷为：
经上述计算可知：右侧受压支管的承载载荷为376 kN大于施加载荷275 kN，受拉支管的承载载荷为344.2 kN大于施加载荷251.6 kN，因此该节点结构在设计载荷作用下满足强度要求。
②方式1仿真结果：采用方式1近似法模拟焊缝的应力分析最大应力304MPa，发生在支管的端面边缘，如图7.1所示。由于焊缝简化为绑定连接，由于支管端面边缘的几何尖锐特征，导致此处的应力稍稍偏高。钢管整体应力分布如图7.2所示，各管体的最大应力在200~223 MPa之间，均小于屈服强度，可见满足强度设计要求。
图7.1 最大应力
图7.2 整体应力云图
③方式2仿真结果：采用方式2直接法模拟焊缝的应力分析结果如图所示，最大应力877MPa，发生在焊缝本体上面，如图8.1所示。这是因为自动生成的焊缝特征边缘具有几何尖锐特征，同时焊缝为线弹性材料属性，导致此处的应力显式偏高。钢管应力分布如图8.2所示，最大应力在200~223 MPa之间，均小于屈服强度，与方式1的结果基本一致。
图8.1 最大应力
图8.2 整体应力云图
④焊缝分析结果：上述两种方法均能准确的计算管体母材的受力问题，而对于焊缝本身的强度分析， SimSolid 提供了专门的后处理工具，结合第二种焊缝建模方法，可以准确的评估焊缝的强度风险。如下图9所示，可以查看焊缝的受力和应力结果，同时可以定义焊缝的单位长度受力失效准则和应力失效准则。
图9 焊缝结果查看方法
本案例中，焊缝的受力结果如下表1所示，焊缝1的总接触力251kN，焊缝2的总接触力276kN，分别与节点支管施加的外载荷相等，说明软件内部计算达到平衡，结果可靠。
表1 焊缝受力结果统计
本案例中，焊缝的应力结果如下表所示，焊缝1的最大等效应力94MPa,焊缝2的最大等效应力151MPa，均小于焊缝的许用强度，满足设计要求。
表2 焊缝应力结果统计
除此之外，焊缝工具还可以进一步查看各应力分量沿焊缝长度的分布情况，通过曲线和云图两种方式，方便工程师更直观的理解焊缝受力情况，识别潜在失效问题，并正对性的提出改进方案，如下表3所示。
表3 焊缝应力结果可视化
总结及体会
总结：本文通过典型的K型焊接钢节点，展现了 SimSolid 在钢结构设计中应用价值，不仅可以准确模拟各类载荷作用下，结构本身和连接体的应力分布情况，并给出详细的应力云图与数据，而且可依据分析结果，找到产品的改进方向，通过调整节点形状、增加加强筋等方式提高节点强度。
体会：SimSolid 在大型钢结构项目中的应用越来越广泛，如何建立传统设计标准与高效计算方法的对应关系，是当前面临的重要问题。一方面需要设计工程师对 SimSolid 的成功案例进行总结归纳和推广，另一方面也需要通过 SimSolid 软件针对各类关键节点形式，如焊接、螺接、铆接等，开展全面的研究对比，建立相应的评价指标和标准，并在项目中不断修正和完善，最大化软件的工程价值。
本文中对焊缝两种建模方式和结果的讨论，可以看到几何突变时的应力集中会带来异常的高应力，导致结果失真。SimSolid 中更合理的焊缝应力查看方式是借助专门的焊缝工具，通过焊缝合力计算得出焊缝应力。
参考文献
夏志斌 姚谏 编著 钢结构原理与设计（第二版）中国建筑工业共出版社
SimSolid 帮助文档
