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![[新版]midas_刚性连接和弹性连接](https://img.taocdn.com/s1/m/fec6b8826aec0975f46527d3240c844769eaa0cd.png)
首先需要明确：刚性连接=主从节点弹性连接中的刚性连接=刚臂刚性连接的功能是强制某些节点(从属节点)的自由度从属于某节点(主节点)。
包括从属节点的刚度分量在内的从属节点的所有属性(节点荷载或节点质量)均将转换为主节点的等效分量。
弹性连接中的刚性连接只是使得被连接的两个节点具有相同的自由度，没有刚性连接的从属关系，一般用于一个节点已经有约束的情况。
主从约束：是老的FEM软件里的说法，是指两个或多个节点在特定自由度上其总体矩阵（刚度、质量、荷载）取相同的编号。
主从约束和刚臂有很多区别，在结构分析时要注意区分。
主从约束可以在节点的某个自由度上建立，没有距离效应。
刚臂：顾名思义，所有自由度都连接在一起，存在你说的剪力二次弯矩。
在midas中，弹性连接的刚接就是形成刚臂单元（由于刚臂用来模拟共节点但不同坐标，可以认为同编号的节点间形成了一个刚臂单元），主要用来模拟墩梁固结位置和同位置左右截面不同的情况。
在这里我有一个小问题就是，为什么midas中将墩梁固结处应本共节点的位置设置成两个节点，可能是程序中不像平面程序共节点之间自动形成刚臂，不过计算结果应该是一样的，因为在有限元分析中，都应该是加入一个[A]矩阵来处理的，只是midas中需要指定刚臂。
而主从约束，是对于两个节点而言的，顾名思义主要是模拟两个节点自由度之间的关系，在有限元分析中，增加一个自由度方向上的主从约束关系相当于增加一个约束方程，在实际计算中采用充0置1法，也就说，主从自由度改变了总刚的阶数，只是为了计算方便，才保留原结构的刚度矩阵阶数不变，这是两者分析上的不同。
而且刚臂位置是一个单元，因此存在二次弯矩，而主从约束一般是同一个位置的两个节点。
发一个北京迈达斯技术有限公司桥梁技术部高工总结的区别,应该比较权威:midas中弹性连接和刚性连接是指什么意思技术知识2008-06-18 09:18:34 阅读32 评论0 字号：大中小两种作用效果是差不多的，只是主从约束刚性不可以钝化，弹性连接里的刚性连接可以钝化。
《弯扭荷载下外伸端板连接节点受力性能有限元分析》篇一一、引言随着现代建筑技术的不断进步，外伸端板连接节点在钢结构中得到了广泛应用。
这种连接方式因其独特的结构特性和优异的力学性能，在承受弯扭荷载时具有较高的稳定性和承载能力。
然而，其在实际应用中的受力性能仍需通过深入的研究和实验验证。
本文旨在通过有限元分析方法，对外伸端板连接节点在弯扭荷载下的受力性能进行深入研究，以期为实际工程应用提供理论依据和指导。
二、有限元模型建立本节将详细介绍有限元模型的建立过程。
首先，根据实际工程中的外伸端板连接节点结构，建立三维实体模型。
模型中应包括端板、连接螺栓、钢板等主要构件，并考虑节点的几何尺寸、材料属性等因素。
其次，选择合适的有限元分析软件，如ABAQUS等，进行模型的前处理工作，包括网格划分、材料属性赋值、边界条件设定等。
最后，建立弯扭荷载的加载模型，确保荷载能够准确施加在节点上。
三、材料属性及本构关系在有限元分析中，材料属性及本构关系的选择对分析结果的准确性具有重要影响。
因此，本节将详细阐述所选用材料的属性及本构关系。
首先，对所使用的钢材进行材料性能测试，获取其弹性模量、屈服强度、抗拉强度等基本力学性能指标。
其次，根据材料的应力-应变关系，选择合适的本构模型，如双线性模型、多线性模型等。
最后，将材料属性和本构关系输入到有限元模型中，为后续的受力性能分析提供基础。
四、弯扭荷载下的受力性能分析本节将重点分析外伸端板连接节点在弯扭荷载下的受力性能。
首先，通过有限元软件对模型进行求解，得到节点在不同弯扭荷载下的应力分布、位移变化等情况。
其次，对结果进行后处理，提取节点的应力-位移曲线、荷载-位移曲线等关键数据。
最后，对数据进行分析和讨论，探讨节点的承载能力、破坏模式、刚度等力学性能。
五、结果与讨论通过对有限元分析结果的处理和讨论，本节将得出以下结论。
首先，外伸端板连接节点在弯扭荷载下具有较高的承载能力和稳定性，能够满足实际工程的需求。
【分析】车架刚度及强度的有限元分析展开全文车架是汽车主要的承载部件，汽车大部分部件如：动力总成、驾驶室、货箱和车桥等都与车架直接相连。
因此车架就必须具有足够的刚度和强度以保证有承受冲击载荷和忍受各种工况的能力。
由于车架本身结构的复杂性。
无法用传统的计算方法实现对车架的精确计算，而随着计算机技术发展所逐渐兴起的有限元方法可有效地计算车架在各种工况下的响应。
进而为后续设计提供有力的理论依据。
有限元法的基本思想是将一个复杂的结构拆分成有限个单元，对这些单元分别进行分析。
建立位移与内力之间的关系，以变分原理为工具，将微分方程化为代数方程，再将单元组装成结构。
形成整体结构的刚度方程后再进行计算。
目前大多的车架有限元分析在模拟车架组成梁之间的连接时，大都采用点对点刚性连接直接将其连接，这种模拟方法相对于实际情况误差较大。
本文采用MPC184单元设计了合理的连接模拟形式。
相对而言可降低结果误差。
1 有限元模型的建立以某边梁式车架为研究对象，其由左右分开的两根纵梁和若干根横梁组成。
纵梁和横梁是由薄壁型钢制成，再通过焊接和铆接而形成整体。
在有限元前处理软件Hypermesh中对车架进行单元划分。
忽略半径5 mill以下的孔、过渡圆角、倒角及2 mill以下的搭接边上的凸台。
单元选用二维4节点壳单元Shell43，Shell43单元可有效地模拟一定厚度的板壳及其线形和弯曲变形。
单元每个节点均具有6个自由度，即，y,z向平动自由度和绕，y，轴的转动自由度。
在平面内变形为线性变形，对于非平面的情况单元采用对组成向量进行混合插补的方法。
从而使对车架的模拟更为合理。
纵梁、横梁及其连接板之间的铆钉连接，选用如图l所示的连接模拟方式。
采用刚性连接单元MPC184单元MPC184单元是由一组通过使用拉格朗日算法来实现运动学上的约束的多点约束单元组成。
可用于模拟两个变形体之间的刚性约束或常在工程实际应用中被用来作为传递力和力矩的刚性组件。
图1人孔装置结构影响法兰密封的主要因素有螺栓预紧力、垫片密封性能、法兰密封面特征、法兰刚度和螺栓刚度、操作条件等。
预紧力是影响密封的一个重要因素，合适的预紧力可保证垫片在工作时保留一定的密封比压，预紧力过大则会把垫片压坏或挤出，从而破坏密封。
另外，当刚度不足时，法兰会产生过大翘曲变形而导致密封失效。
利用ANSYS 有限元分析软件对法兰结构进行三维有限元分析，找到合适的螺栓预紧力，既能满足密封，又不会使法兰结构产生过大的变形而导致密封失效或强度不足。
密封结构为某核电压力容器人孔装置，结构见图1。
该设备的技术参数为：设计压力为3.0MPa ，设计温度为300℃，工作介质为河水；水压试验压力为4.03MPa ，温度为20℃。
垫片采用石墨缠绕垫片，螺柱螺纹规格为M36×3，材料为0Cr17Ni12Mo2，人孔内径为448mm 。
2螺栓预紧力的计算一般情况下，在确定螺栓预紧力时应综合考虑法兰操作工况、外载荷、法兰刚度、允许泄露率、垫片性能及螺栓上紧方式等因素，按法兰当量计算压力计算螺栓预紧载荷。
单个螺栓最小和最大预紧力可参考如下方法进行计算：p e =16M πG 3+4p rπG 2+p （1）W a =πbGy （2）F =0.785G 2p e （3）F p =6.28Gbmp e（4）W p =F +F p（5）式中：p e 为等效压力，MPa ；M 为外部弯曲力矩，N ·mm ；G 为垫片负荷作用位置直径，mm ；p r 为径向载荷，N ；p 为内压，MPa ；W a 为垫片安装所需最小螺栓载荷，N ；b 为垫片有效密封宽度，mm ；y 为垫片比压力，MPa F 为内压引起的总轴向力，N ；法兰结构中螺栓预紧力及垫片密封的有限元分析赵登东哈电集团（秦皇岛）重型装备有限公司（河北秦皇岛066206）摘要利用ANSYS 有限元分析软件，对人孔法兰结构进行有限元分析模拟。
通过螺栓预紧力公式计算得到螺栓预紧力，将其施加到预紧单元PRETS179来模拟螺栓预紧力，施加到接触单元和垫片单元INTER195来模拟垫片的接触密封结构。
第２４卷第２期 ２００８年２月 电网与水力发电进展
Ａｄｖａｎｃｅｓ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ＆Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 一 般 ｊ ｊ 《 ×㈡（ 霸 ０ Ｖｏ１．２４ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０ＨＤ８
文章编号：１６７４—０００９（２００８）０２—００３１—０３ 中图分类号：ＴＭ２０６
刚性法兰连接节点有限元分析
曾 程
（广东省电力设计研究院广州５１０６００）
Ａｎａｌｙｓｉｓ（》ｉｌ Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ《》《 Ｒｉｇｉｄ Ｆｌａｎｇｅ ｌｏｉｎｔｓ
ＺＥＮＧ Ｃｈｅｎｇ
（Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０６００，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｇｉｄ
ｆｌａｎｇｅ ｊｏｉｎｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ
ｗｉｔｈ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ，ａｎｄ ｒｅｖｅａｌｓ ｔｈｅ
ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆｔｈｅ ｒｉｇｉｄ ｆｌａｎｇｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ．
ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：Ｒｉｇｉｄ ｆｌａｎｇｅ ｊｏｉｎｔ；ＡＮＳＹＳ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ
摘要：主要研究了钢管结构中刚性法兰连接轴心力作用的受
力性能，应用大型有限元软件ＡＮＳＹＳ进行了有限元分析，揭
示了刚性法兰盘在受轴力状态下的受力特点。
关键词：ｒｉｇｉｄ ｆｌａｎｇｅ ｊｏｉｎｔ；ＡＮＳＹＳ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ
Ｏ 引言
输变电结构中大量用到各种钢管结构，在钢管
结构中．管节点的设计是至关重要的研究课题．其节
点承载力的大小和强度直接关系到整个结构的安全
性和可靠性。目前输电塔结构的高度越来越大．下
部构件连接法兰盘的受力随之增大。刚性法兰由于
能提高法兰接点的整体刚度，因而得到大量的应用。
但目前关于刚性法兰连接的理论并不完善，现行规
范中的设计方法存在不合理之处，因此，对刚性法兰
的受力特点进行研究，有着重要的理论和实际意义。
本文将借助ＡＮＳＹＳ有限元分析程序，对钢管结构中
的刚性法兰的受力性能和变形情况进行分析，力求
揭示其在轴心力作用下的应力分布特点。
１ 计算模型
在对法兰节点进行设计时，钢管所承受的压力通
文献标志码：Ａ
常为拉力的１．１５～１．３５倍。在拉力作用下．法兰盘上
受力面积较小．在压力作用下，法兰盘上受力面积较
大，因此，法兰盘的破坏主要是由拉力大小决定［１１。
故本文中的有限元模型只考虑法兰轴心受拉时的情
况。图ｌ所示为法兰模型。表ｌ是本文中所用法兰模型
的的基本数据。
｛ 兰经掣
衷｛ 燕“２２２ 们尺 鼓纠科袤
管 ｍ
／ｍｍ
蓑孳 嫠
１ ２００（￣ｄ，管）６４ ２０ ８．８ ４８ Ｑ３４５Ｂ １７ Ｑ３４５Ｂ ４５０
１ ２５ｏ（￣Ｘ管）６４ ２０ ８．８ ４８ Ｑ３４５Ｂ １６ Ｑ３４５Ｂ ４３０
有限元分析时．钢管、法兰板以及肋板材料选取
Ｑ３４５，其屈服应力ｒ，、＝３４５ ＭＰａ，弹性模量 取２．０６ｘ
１０ｌｌＮ／ｍ２［２１，ＥＴ＝０．０ｌ ］。材料为各向同性，泊松比 ＝
０．３。螺栓选取８．８级高强螺栓。螺栓材料应力应变曲
线如图２所示．其屈服应力ｒ，Ｆ６４０ ＭＰａ，弹性模量
取２．０６ｘ１０“Ｎ／ｍ ，Ｇ＝０．０１Ｅ。泊松｝ ＝０．３。计算过程
中均忽略自重的影响。
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—— 匿 蠹。
Ａｎａｌｙｔｉｃ Ｅｘｔ．￣ｏ， ａｔｉｏｒ￣
３２ 曾程：钢性法兰连接节点有限元分析 Ｖｏ１．２４ Ｎｏ．２
２ 控树 厦力压夏兹钱 厦力卑伍：Ｍ｛ ａ
整个法兰盘模型共设置空间节点１６ １７１个，各
类单元５ ２６３个。模型中钢管、法兰板以及肋板均采
用ＡＮＳＹＳ中的Ｓｈｅｌｌ ９３单元模拟，螺栓则用ｌｉｎｋ８单元
模拟。模型计算中采用位移增量加载方式，计算采
用Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ屈服准则及相关流动准．￣ｌＪ［４１。网３所示为
荷载与位移关系。
３ ５ｘ１
３ Ｏｘ１
２５ｘ囊２ ｏ １
１ ５ｘ１
１ Ｏｘ１
５ Ｏｘ１
Ｏ
位移／珀
凰３萄载一位移曲线霉
２计算结果分析
由图３荷载一位移曲线图可以看出，有一个明显
的拐点，那就是荷载值为２４ １７２ ｋＮ处。在该数值以
下，荷载与位移基本上呈直线关系，在此荷载值之
后，曲线图发生弯曲，法兰进入塑性阶段。因此，可以
认为荷载值２４ １７２ ｋＮ是该法兰的屈服荷载。
由图４可以看出，刚性法兰节点在加载到屈服荷
载时．应力集中主要出现在钢管和法兰板的连接处，
加劲肋板与钢管的连接端头．加劲肋板底部边缘以
及法兰板螺栓孔周围．而加劲肋板之间的钢管部分
应力集中系数较小，应力明显比周围部分低。肋板
顶端以上的钢管应力分布比较均匀．说明节点的应
力集中情况只对肋板高度范围内的部位有影响，对
钢管其他部位没有太大影响
此时的应力集中最大值为４５５ ＭＰａ 部分应力
集中区域已经进入了塑性状态
囤ｄ屈 夏荷载‘ｊ 的等效应力云图
节点区的应力分布及塑性区扩展：
图５～８展示了节点的应力分布和塑性区的扩展
过程。
南应力云图可以看出．开始时最大Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ应
力出现在钢管和法兰板的连接处．加劲肋板与钢管
的连接端头，加劲肋板底部边缘以及法兰板螺栓孔
周围。
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第２４卷第２期 电网与水力发电进展
ｌｌｌｊ 一 ｌｌ ｌｌ≥篡 融嗣●
Ａｎａｔｙｌ：ｉｃ Ｅｘ Ｄ ｏｒａｔｉｏｎ］
３３
ｌ８ Ｐ＝４４ ９８了ｋ
随着荷载的增加．这些区域首先进入屈服并逐
渐形成塑性区．但此时并不意味着节点立即破坏．荷
载仍可继续增加。随着荷载的增加这些应力集中区
域开始不断扩大。由于塑性应力重分布．应力集中
区域的应力值和非集中区域的应力值的差值逐渐缩
小。整个节点的应力分布开始趋于均匀。
加劲肋板之间的钢管部分应力集中系数则一直
较小．而加劲肋板底部边缘以及法兰板螺栓孔周围
的应力集中一直较大
南于在荷载一位移曲线上无法观测到极值点．
因此取法兰节点的屈服荷载２４ １７２ ｋＮ作为法兰的
弹性极限荷载。但是．这并不意味着法兰达到这一
极限荷载就发生破坏。实际上，在加载￣ＩＪ４４ ９８７ ｋＮ
时，模型还能继续计算。因此，可知法兰达到极限荷
载后仍具有很大的强度储备，其破坏荷载可达到设
计荷载的数倍。
节点在弹性极限荷载时．其变形并不明显。将节
点弹性极限荷载下的变形图放大５０倍后，如图９所示
加劲肋板边缘出现了局部变形，法兰板在靠近钢管处
一
图９节点在极限荷载下的变形图 放大倍数５Ｏ）
出现向上凸起的变形，而钢管基本上没有发生变形。
３ 结论
（１）计算表明，法兰在受拉力作用时．在弹性阶
段，钢管和法兰板的连接处．加劲肋板与钢管的连接
端头，加劲肋板底部边缘以及法兰板螺栓孑Ｌ周围．将
会出现应力集中，而加劲肋板之间的钢管部分应力
集中系数较小。
（２）在荷载超过法兰的弹性极限荷载以后．上述
应力集中区域开始逐渐扩散．经过塑性应力重分布，
应力集中区域的应力值和非集中区域的应力值的差
值逐渐缩小。法兰节点的承载力得到进一步提高
（３）有限元计算结果表明，法兰的荷载位移曲
线在超过弹性极限荷载以后无明显极值点．经过塑
性应力重分布后，法兰从开始屈服到最后破坏．具有
较强的塑性变形能力和较高的强度储备．法兰的破
坏荷载可达到极限荷载的数倍．因此其承载力主要
取决于塑性阶段．在破坏前会经过一个大变形阶段
参考文献
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筑结构，２００２，（５）．
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修订编制组．架空送电线路杆塔结构设计技术规定［ｓ】．
２０ＨＤ２．
【３】刑静忠．ＡＮＳＹＳ ７．０分析实例与工程应用【Ｍ】．机械工业出
版社．２００４．
［４】陈精一，蔡国忠．电脑辅助工程分析ＡＮＳＹＳ使用指南［Ｋ１＿
北京：中国铁道 版社，２００１．
收稿日期：２００７—０９—０３
作者简介：
曾程（１９８Ｏ ），硕士，工程师，从事钢结构研究。
（编辑：徐花荣）
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